Выбор и сравнение качества высокопрочных болтов

Сравнение качества высокопрочных болтов класса прочности 12.9, изготовленных различными производителями

Возведение вместительных развлекательно-спортивных комплексов, стадионов, выставочных залов, высотных зданий с большими пролётами и толщиной элементов металлоконструкций 60–120 мм обусловливает интерес строителей к высокопрочным (в/п) болтам с более высоким классом прочности. Замена сварных соединений на болтовые сокращает сроки строительства и снижает требования к квалификации строителей. Кроме того, увеличение класса прочности болтов сокращает количество отверстий под болты и время их установки. По данным [1] при замене болтов из стали 40Х по ГОСТ Р 52643-2006 [2] с временным сопротивлением 1078 МПа на болты класса прочности 12.9 с временным сопротивлением 1274 МПа или на сверхпрочные болты с временным сопротивлением 1400 МПа и выше теоретическое снижение количества болтов в соединениях составит соответственно 15% и 23% и более.

В связи с введением с 01.01.2006 г. ГОСТ Р 52643-2006, открывшим для практического применения класс прочности болтов 12.9, возникает вопрос об их качестве и надёжности, под последним чаще всего понимают обеспечение длительной долговечности болтов в болтовых соединениях металлоконструкций. Согласно ГОСТ Р 52643-2006, для болтов класса прочности 12.9 рекомендуется сталь 20Х2НМТРБ (авторское свидетельство СССР на изобретение 954493). Опытные партии болтов М24 с временным сопротивлением 1590 МПа, т. е. с классом прочности значительно выше 12.9, из этой стали успешно выдержали испытания в промышленной атмосфере крупных предприятий горного и металлургического комплекса и при ускоренных испытаниях в условиях воздействия слабоагрессивной промышленной атмосферы с SO2. Снижение содержания углерода в высокопрочной хромистой стали и дополнительного ее легирования элементами Ni, Mo, Nb, Ti, B позволяют повышать сопротивление коррозионному растрескиванию (КР) и водородному охрупчиванию (ВО) в слабоагрессивной промышленной атмосфере болтов из стали 20Х2НМТРБ (по сравнению с болтами из стальи 40Х) [3]. Устойчивыми против КР после закалки с низким отпуском при температуре 240 °С оказались стали 30Х2НМАФ, 20Х2СНМФТАР, 20Х2НМФТАР и 20СМТАР [4]. На сталь 25Х2НМФАТ получено авторское свидетельство СССР № 1347493, кл. С22 С38/50 1987 г.

Последующие события перестройки прервали переход к промышленному производству в/п болтов класса прочности 12.9 из стали 20Х2НМТРБ и из других марок стали . В настоящее время болты класса прочности 12.9 поставляются зарубежными фирмами.

С целью гарантии качества крепежа для ответственных объектов применяется входной контроль. Так, при возведении металлоконструкций покрытия аэровокзального комплекса «Внуково-1» был использован входной контроль высокопрочных болтов М24 производства фирмы PEINER. Площадь покрытия здания составила 100 тыс. м2. В болтовых соединениях использовали 13000 болтов М24 с длиной стержней от 50 до 110 мм.

Благодаря контролю качества болтов за весь период строительства не было ни одного случая разрушения болтов М24 класса прочности 10.9 [5]. Переход к высокопрочным болтам более высокого класса прочности 12.9 требует увеличения внимания к качеству этих болтов.

Проведена работа по сравнению качества высокопрочных болтов, производимых фирмами PEINER (ФРГ) и GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (Китай). Химический состав исследованных сталей приведён в табл. 1.

 
Таблица 1. Химический состав исследованных болтов

Типо размер болта

Усл. номер болта

Фирма производитель

Содержание элементов, % по массе

С

Si

Mn

S

P

Cr

Ni

Cu

Al

Ti

Другие элементы

М24х155

1

Peiner

0,31

0,20

0,87

0,007

0,010

1,15

0,09

0,12

0,039

0,030

V 0,010
Mo 0,02
B 0,003

М30х220

М30х155

2

3

GEM-YEAR
INDUSTRIAL
CO. LTD

0,40

0,40

0,26

0,27

0,70

0,71

0,006

0,008

0,011

0,014

0,96

0,97

0,03

0,03

0,07

0,08

-

-

-

-

Mo 0,16

Mo 0,16

30ХГТ ГОСТ 4543-71

-

-

0,24-0,32

±0,01

0,17-0,37

±0,05

0,80-1,10

±0,05

≤ 0,035

≤ 0,035

1,00-1,30

±0,05

-

-

-

0,03-0,09

±0,02

-

38ХМ ГОСТ 4543-71

-

-

0,35-0,42

±0,01

0,17-0,37

±0,02

0,35-0,65

±0,02

≤ 0,035

≤ 0,035

0,9-1,3

±0,02

0,3-0,05

0,3

-

-

Mo 0,2-0,3

±0,02

 

Методика проведения исследования

Измерения твёрдости по методу Бринелля проводили согласно ГОСТ Р 52627-2006 на гранях шестигранных болтов на твердомере 2109ТБ. Определение механических характеристик целых болтов при испытании на разрыв на косой шайбе осуществляли на гидравлическом прессе П-250. Испытания на динамический изгиб производили на маятниковом копре КМ-30 на образцах тип 1 по ГОСТ 9454-78, изготовленных из болтов М24х155, М30х220 и М30х155. Испытания на замедленное хрупкое разрушение (ЗХР) проводили на образцах, выточенных из болтов в соответствии с ГОСТ Р 52643-06 (Приложение Б). Образцы закрепляли в динамометре совместно с захватными приспособлениями в электрохимической ячейке, заполненной наводораживающим раствором (0,05 н. раствор Н2SO4 + 20 мг/л SeO2). Катодную поляризацию осуществляли источником постоянного тока плотностью 45-50 мА/см2. В качестве анода использовали платину.

Необходимое растягивающее усилие создавали в образце с резьбой М10 путём закручивания гайки обычным ключом. Уровень растягивающего напряжения устанавливали по автоматическому электронному измерителю деформаций АИД-4. Уровень напряжений в образцах варьировали в диапазоне (0,6–0,8)·σ/σВ, где σВ – фактическое временное сопротивление образца, изготовленного из болта.

Металл болтов М24х155 производства фирмы PEINER по содержанию Mn, Cr, Ti близок к химическому составу стали 30ХГТ по ГОСТ4543-71. Сталь 30ХГТ для изготовления высокопрочных болтов по ГОСТ Р 52643-2006 не предусмотрена. Металл болтов М24х155 по сравнению с марочным составом стали 30ХГТ содержит 0,003 % бора и 0,010 % ванадия. Бор существенно повышает прокаливаемость стали, а ванадий измельчает зерно стали 30ХГТ. Оба типоразмера болтов М30 изготовлены из стали марки 38ХМ по ГОСТ 4543-71 с пониженным (на 0,02 %) содержанием молибдена и повышенным (на 0,03–0,06 %) содержанием марганца. Близость по химическому составу болтов М30х155 и М30х95 указывают на то, что их изготовили из одной плавки.

Разрушенные болты

Рис. 1. Общий вид узла 9-5В фермы 61TR-9 в месте присоединения фасонки и раскоса к узлу 9Н

Общим свойством сравниваемых болтов М24 и М30 является высокая степень чистоты металла по вредным примесям: S 0,005–0,008 % и P 0,010–0,014 %. Высокий уровень чистоты сравниваемых сталей 30ХГТ и 38ХМ выявляется и по содержанию цветных примесей: никелю и меди (см. табл. 1).

Болты класса прочности 12.9 производства фирмы GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (Китай), были отобраны от необетонированных конструкций 61-63 ауттригерных этажей башни «Восток» комплекса «Федерация». Кроме того, с необетонированных участков конструкций были отобраны 3 разрушенных болта для установления их фактических механических свойств. Количество разрушенных болтов не превышала 0,1 % от общего количества установленных болтов. В металлоконструкции фермы 61ТR-9, узел 9-5В выявлено 3 разрушенных болта М30х155, что составляет 1,8 % от общего количества болтов в этом узле (168 штук) и существенно превышает процентное соотношение разрушенных болтов в пределах обследованной необеотонированной конструкции (рис. 1).

В табл. 2 представлены результаты испытаний на разрыв на косой шайбе целых болтов производства фирм GEM-YEAR INDUSTRIAL CO .LTD и PEINER. Как видно из табл. 2, один из исследованных болтов М30х220 китайского производства имеет повышенное временное сопротивление (на 53 МПа) по сравнению с нормируемым значением по ГОСТ Р 52643-2006 для болтов класса прочности 12.9. На этом болте установлены повышенные значения твёрдости (432…435 НВ). Остальные болты производства GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD и PEINER удовлетворяют требованиям, предъявляемых ISO 898/1:1999 к высокопрочным болтам (σВ ≥ 1220 МПа).


Таблица 2. Результаты испытаний на разрыв на косой шайбе

Фирма
производитель

Типоразмер
болта

Максимальная нагрузка
Рmax, Н

Временное сопротивление
σВ, МПа

PEINER

24x155

490000

1388

GEM-YEAR INDUSTRIAL CO.LTD

M30x220
M30x220
M30x155

852600
882000
826140

1519
1572
1472

ГОСТ Р 52643-2006

М16-М30 класса прочности 12.9

-

Не менее 1274
Не более 1519

 
Согласно результатам измерения твёрдости, выполненных на гранях головок болтов, выявлено заметное различие между болтами производства фирмы PEINER и GEM-YEAR INDUSTRIAL CO. LTD (табл. 3). Если все значения твёрдости болтов М24х155 удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 52643-2006 к высокопрочным болтам класса прочности 12.9, то для некоторых болтов М30х220 и М30х155 наблюдается отклонение от этих требований.


Таблица 3. Результаты измерения твёрдости болтов

Фирма производитель

Типоразмер
болта

Условный
номер болта

Твёрдость

PEINER

M24x155

1
2
3
4

388;390;388
388;385;385
380;388;388
385;388;390

GEM-YEAR
INDUSTRIAL CO. LTD

M30x220

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

388;388;383
375;373;383
393;375;388
393;393;401
404;406;406
435;432;432
363;388;375
393;388;405
388;388;388
383;383;375

M30x155

11
12
13

395;388;388
417;429;415
415;420;420

ГОСТ Р 52643-2006

М16-М30 класса прочности 12.9

-

360 ≥ НВ ≤ 415


На двух болтах М30х155 (усл. № 12 и № 13) из трёх исследованных установлены повышенные значения твёрдости (417…429 НВ) по сравнению с нормированными значениями по ISO 898/1:1999 (< 414 HB) и ГОСТ Р 52643-2006 (≤ 415 НВ).

Определение твёрдости на торцах стержней трёх разрушенных болтов М30х220 (табл. 4) показывает заметное различие в значениях твёрдости по сечению стержня. Максимальная разница между значениями твёрдости у края резьбы и в центральной части стержня достигает 61 НВ.


Таблица 4. Результаты измерения твёрдости по сечению стержня болтов

Условный номер болта

Твёрдость НВ

1 р
2 р
3 р

401; 373; 401
406; 398; 401
406; 345; 401


Результаты испытаний высокопрочных болтов на ударный изгиб представлены в табл. 5. Видно, что болты М24х155 и М30х220 удовлетворяют требованиям, предъявляемым ГОСТ Р 52643-2006 к высокопрочным болтам класса прочности 12.9 исполнения ХЛ. Полученные значения ударной вязкости на образцах № 11 и № 14 не являются показательными, так как эти образцы имели дефект в виде продольной трещины (рис. 2).

Разрушение крепежа

Рис. 2. Внешний вид «половинки» ударного образца изготовленного из болта М30х220 после испытаний


Таблица 5. Результаты испытаний на ударный изгиб

Фирма
производитель

Типоразмер болта

Номер образца

Температура
испытания, оС

Ударная
вязкость КСU, Дж/см2

Доля вязкой составляющей
в изломе, %

PEINER

M24x155

1
2
3
4

+20
-60
-60
-60

84,5
45,2
41,6
43,6

50
6
15
13

GEM-YEAR
INDUSTRIAL CO.LTD

M30x220 (образцы
1-6 из болта № 3 и
11-16 из болта № 4)

1
2
3
4
5
6

+20
+20
+20
-60
-60
-60

62,0
64,1
68,1
43,2
44,0
39,1

62
65
75
10
12
10

11
12
13
14
15
16

-60
-60
-60
-60
-60
-60

17,0*
44,2
39,8
29,0*
46,1
42,0

5*
7
8
18*
10
20

М30х155

1
2

-60
-60

42,1
34,9

20
16

ГОСТ Р 52643-2006

М16-М30
класса прочности 12.9

-

+20
-60

≥ 49
≥ 39

-
-

* В образцах на боковой поверхности выявлена продольная трещина.


Один из двух образцов, изготовленных из болта М30х155, показывает КСU всего лишь на ~ 4 Дж/см2 ниже нормативного значения. Учитывая достаточно заметный уровень вязкой составляющей в изломе двух испытанных образцов при температуре –60 °С, следует признать удовлетворительными результаты испытаний на ударный изгиб болтов М30х155.

С целью более надёжной оценки качества болтов М30х155 провели испытания на замедленное хрупкое разрушение (табл. 6).


Таблица 6. Результаты испытаний на ЗХР

Условный
номер
образца

Нагрузка в рабочей
зоне образца,
σ/σВ

Критерии стойкости к ЗХР
Время разрушения, мин

Исследованный образец

ГОСТ Р 52643-2006

1.2

0,6

270

≥ 220

1.2

0,7

140

≥ 150

2.1

0,7

157

2.1

0,8

92

≥ 90


Видно, что время до разрушения образцов при нагрузке 0,6 σВ выше нормативного значения по ГОСТ Р 52643-2006. При нагрузках 0,7 σВ и 0,8 σВ получены неоднозначные результаты: на одном образце (из двух исследованных) время до разрушения ниже нормативного значения. Однако следует иметь в виду, что коэффициент концентрации напряжений Кi для болта М30 составляет 2,40, а для используемого образца с резьбой М10 Кi = 2,75. Таким образом, при уровне напряжений 0,7 σВ…0,8 σВ есть вероятность обнаружения склонности некоторых болтов к ЗХР. Последнее действительно выявлено при обследовании болтовых соединений металлоконструкций 59-65 аутригерных этажей башни «Восток» комплекса «Федерация». При этом контроль натяжения болтов по моменту закручивания с помощью динамометрического ключа с мультипликатором не выявил ослабленных болтов. Средняя величина момента затяжки составила 2400 Нм. Фактическая средняя величина усилия натяжения высокопрочных болтов после 2,5 лет эксплуатации составила 473 кН (48,3 тс).