Типичные проблемы при работе резьбовых соединений и пути их решения

Рассмотрены типичные проблемы, возникающие на этапах монтажа, эксплуатации и демонтажа резьбовых соединений. Даны рекомендации по применению смазочных материалов Molykote для решения этих проблем.

1. Функции смазочного материала в резьбовом соединении
2. Специфика работы резьбовых соединений в различных условиях
3. Выбор смазочного материала для резьбового соединения
3.1. Резьбовые пасты
3.2. Антифрикционные покрытия
3.3. Проникающие смазки
4. Заключение

 

Из всех видов соединений, применяемых в машиностроении, резьбовые соединения – самые распространенные. Они наиболее надежны и удобны для сборки и разборки, имеют небольшие габариты, просты в изготовлении, допускают точную установку соединяемых деталей и практически любую степень затяжки. Основными крепежными деталями резьбовых соединений являются болты, винты, шпильки и гайки.

Несмотря на большую популярность резьбовых соединений вопросам их смазки на сегодняшний день не уделяется достаточно внимания. Поэтому выход из строя этих узлов из-за отсутствия или неправильно подобранного смазочного материала – не редкость.



1. Функции смазочного материала в резьбовом соединении

Очевидно, что резьбовые силовые соединения должны быть затянуты. Незатянутые резьбовые соединения быстро выходят из строя, особенно в условиях циклических и динамических нагрузок вследствие разбивания, наклепа, а иногда и сваривания. Основное условие качественного соединения – обеспечение заданного стабильного усилия затяжки. Его получают, например, путем завинчивания гайки с определенным моментом. Проблема заключается в том, что 60-90% усилий, прилагаемых к гайке, расходуется на преодоление сил трения в витках резьбы и на торцевых поверхностях. Средние значения коэффициентов трения в резьбовых соединениях из наиболее распространенных материалов приведены в справочниках. Однако широкий спектр применяемых конструкционных материалов деталей и условия воздействия внешней среды при эксплуатации приводят к варьированию фактического коэффициента трения в довольно широких пределах. В такой ситуации обеспечить нормирование усилия затяжки затруднительно. Это приводит к тому, что при сборке, например, фланцевых сопряжений с большим количеством болтов они будут затянуты неодинаково. В результате возможно не только повреждение перетянутых соединений, но и общая деформация стыка с потерей герметичности из-за неравномерности затяжки. Смазочный материал призван снижать коэффициент трения и обеспечивать его стабильность, позволяя точно контролировать усилие затяжки. Он также защищает резьбовое соединение от агрессивных воздействий внешней среды, сохраняет его работоспособность и позволяет без повреждений разобрать после продолжительной эксплуатации.

Применение для смазывания резьбовых соединений индустриальных масел часто не дает желаемого эффекта. Эти смазочные материалы позволяют снизить коэффициент трения при сборке и дают лишь временную защиту от коррозии. Однако при нагреве выше 80 °С масло начинает интенсивно окисляться и коксоваться,  переставая выполнять свои функции.

Лабораторные испытания болтов M12 x 60 x 1,75 класса 8.8, смазанных маслом, показали, что при затяжке моментом 76,1 Н·м после 24-часовой выдержки при комнатной температуре их можно демонтировать без повреждений. Однако после затяжки с тем же моментом и выдержки при 300 °С при попытке разборки произошел срез болта. Очевидно, что при таких условиях работы необходимо применять смазочные материалы совершенного иного качества.


2. Специфика работы резьбовых соединений в различных условиях

Резьбовые соединения применяются во всех отраслях промышленности, практически в любом оборудовании. Машины, механизмы, инструменты работают в самых различных условиях, поэтому на резьбовые соединения воздействует широкий диапазон нагрузок и температур. Они подвергаются действию влаги, пыли, агрессивных факторов окружающей среды и т.д. Очевидно, что не существует универсального смазочного материала, удовлетворяющего всем возможным требованиям. Выбор резьбовой смазки необходимо осуществлять исходя из конструкции и условий работы конкретного соединения.

Рассмотрим специфику работы различных резьбовых соединений, возможные проблемы при эксплуатации и пути их решения с помощью применения специальных смазок.

В деталях соединений, работающих в агрессивных средах, применяют коррозионно-стойкие стали и сплавы, а детали соединений, подвергающихся действию высоких температур, – из жаропрочных сталей. Особенность аустенитных нержавеющих Cr-Mo и Ni-Cr-W сталей состоит в том, что на их поверхностях не образуется достаточно прочных оксидных пленок, препятствующих схватыванию. Вязкость и низкие антифрикционные свойства коррозионно-стойких сталей и сплавов способствуют образованию задиров на витках резьбы, затрудняющих монтаж и демонтаж. Поэтому для смазки деталей резьбовых соединений из таких материалов необходимо применять специальные материалы в качестве разделительной среды, препятствующей контакту металл-металл.

Рис. 1. Повреждение болтов из-за коррозии

Резьбовые соединения обычной точности не являются герметичными – жидкость или газ беспрепятственно просачиваются по виткам резьбы. Это приводит к коррозии, затрудняющей демонтаж соединения, и возможным его повреждениям (рис. 1).

 Установка прокладок под гайки не обеспечивает необходимой герметичности. В этой ситуации смазочный материал, нанесенный предварительно до сборки на резьбу и выполняя уплотняющую и защитную функции, герметизирует соединение и предотвращает коррозию.

Часто для защиты крепежа от коррозии применяют цинкование. Опустим здесь экологический аспект такого решения. Оцинкованные болты хорошо защищены от коррозии. Однако пара трения цинк-цинк имеет очень высокий коэффициент трения и склонна к задирам. Поэтому при монтаже таких соединений должен быть применен специальный смазочный материал.

При эксплуатации резьбовых соединений в условиях экстремально высоких температур (600°С и более) к смазочным материалам предъявляются особые требования. Они не должны содержать таких металлов как свинец и цинк. Эти вещества плавятся при относительно низких температурах и, проникая по границам зерен, диффундируют в резьбовую поверхность, вызывая ее охрупчивание и образование трещин. Эти процессы протекают более интенсивно при действии дополнительных напряжений от внешних сил в материале болта.

Кроме того, нужно учитывать, что сборку резьбовых соединений производят при нормальной температуре. Если резьбовое соединение после сборки работает при повышенных температурах, то при различных материалах болта и соединяемых деталей, когда температурная деформация болта меньше температурной деформации деталей, резьбовое соединение испытывает дополнительные (температурные) напряжения.

При использовании резьбовых соединений из жаростойких сплавов с никелем смазочный материал для них не должен содержать серу, фтор, хлор и некоторые другие элементы, которые присутствуют в обычных смазочных материалах. В таких сплавах они образуют такие соединения с никелем, которые приводят к появлению внутренних напряжений в материале и образованию трещин. Это может привести к внезапному разрушению резьбового соединения и стать причиной аварии. Поэтому обычные смазочные материалы недопустимо применять для смазки деталей резьбовых соединений, изготовленных из сплавов с никелем!

 

3. Выбор смазочного материала для резьбового соединения

В линейке смазочных материалов Molykote от компании Dow Corning имеются разработанные специально для резьбовых соединений пасты, антифрикционные покрытия, дисперсии, очистители и другие продукты, свойства которых отвечают практически всем возможным условиям эксплуатации оборудования. Для выбора смазочного материала с учетом условий работы и характерных проблем при эксплуатации рекомендуется использовать специальную таблицу 1. Эти рекомендации были разработаны на основе анализа характеристик и свойств, а также многолетнего опыта применения смазочных материалов Molykote

Таблица 1. Применение материалов Molykote для решения проблем

Типичные проблемы Наименование материала
для решения проблемы
Большой разброс усилия затяжки Molykote 1000, Molykote P-37, Molykote D-7405
Образование задиров на резьбах и разрушение деталей при монтаже и демонтаже из-за высоких нагрузок Molykote P-1600, Molykote G-Rapid Plus, Molykote HSC Plus, Molykote P-37,
Molykote D-321R, Molykote D-3484
Коррозия и повреждение резьб соединений, подверженных воздействию коррозионно-активных сред Molykote Cu-7439 Plus, Molykote P-40
Фреттинг-коррозия и образование задиров на резьбах деталей из аустенитных нержавеющих сталей Molykote D Paste, Molykote P-74, Molykote 1000, Molykote D-321R
Фреттинг-коррозия и образование задиров на резьбах оцинкованных деталей Molykote G-Rapid Plus, Molykote D-321R, Molykote D-3484
Повреждение болтов из жаростойких сплавов из-за образования трещин в витках резьбы Molykote P-37
Затрудненный демонтаж из-за коррозии и прикипания Molykote Multigliss, Molykote Supergliss
Коррозия при хранении и транспортировке Molykote Metal Protector Plus

 

3.1. Резьбовые пасты

Резьбовые пасты представляют собой твердые смазочные материалы, диспергированные в масле для удобства нанесения и повышения адгезии. Отличительная особенность паст – высокое процентное содержание твердых смазок (до 60%). В качестве твердых смазок применяются графит, дисульфид молибдена, оксиды, гидроксиды, фосфаты металлов, высокодисперсные  порошки меди и специальные композиции.

Состав и характеристики резьбовых паст Molykote приведены в таблице 2.

Таблица 2. Характеристики резьбовых паст Molykote

Наименование показателя / Наименование пасты Molykote 1000 Molykote
Cu-7439 Plus
Molykote
D Paste
Molykote
G-n Plus
Molykote
G-Rapid Plus
Цвет Коричневый Медный Беловатый Черный Черный
Базовое масло Минеральное Частично синтетическое Минеральное Минеральное Минеральное
Твердые смазочные материалы Графит, медь Медь Белые твердые смазки Графит, дисульфид молибдена, специальные Графит, дисульфид молибдена
Верхний предел рабочих температур, °С + 650 + 650 + 250 + 450 + 450
Несущая способность (нагрузка сваривания по DIN 51350 pt. 4), H 4800 2500 2600 2800 5300
Коэффициент трения в болтовом соединении (М12, материал 8.8) для головки болта/для резьбы 0,08/0,13 0,10/0,17 0,08/0,13 0,06/0,12 0,06/0,10

Таблица 2. Характеристики резьбовых паст Molykote. (Продолжение)

Наименование показателя / Наименование пасты Molykote
HSC Plus
Molykote
P-1600
Molykote
P-37
Molykote
P-40
Molykote
P-74
Цвет Медный Медный Серо-черный Желто-коричневый Серо-черный
Базовое масло Минеральное Минеральное Частично синтетическое Частично синтетическое Синтетическое
Твердые смазочные материалы Дисульфид молибдена, медь, специальные Медь, специальные Графит, специальные Политетра-фторэтилен, белые твердые смазки Графит, специальные
Верхний предел рабочих температур, °С + 1100 + 1100 + 1400 + 1200 + 1500
Несущая способность (нагрузка сваривания по DIN 51350 pt. 4), H 4800 3600 4400 3000 4800
Коэффициент трения в болтовом соединении (М12, материал 8.8) для головки болта/для резьбы 0,09/0,14 0,12/0,12 0,09/0,15 0,08/0,16 0,08/0,13

Помимо защитных и смазочных функций медные пасты выполняют еще одну не менее важную задачу. Не секрет, что для прочности резьбового соединения большое значение имеет распределение нагрузки по виткам резьбы.

Рис. 2. Применение резьбовой пасты Molykote P-1600Для болтовых соединений обычной конструкции деформации гайки и болта под нагрузкой противоположны по знаку: гайка работает на сжатие, а болт – на растяжение. В этой ситуации первые от опорной поверхности гайки витки болта соприкасаются с первыми витками гайки и воспринимают большую часть нагрузки. Наиболее нагружен крайний виток, прочность которого лимитирует несущую способность соединения. Один из способов выравнивания нагрузки – введение прослоек пластичных металлов между витками гайки и болта (рис. 2). Такие прослойки образуются при нанесении медной пасты.




3.2. Антифрикционные покрытия
 

Рис. 3. Колесный болт с антифрикционным покрытием Molykote D-321R

В последнее время все чаще применяется способ защиты резьбовых соединений путем нанесения антифрикционных покрытий. В отличие от традиционных смазок, наносимых непосредственно перед сборкой соединений, антифрикционные покрытия Molykote наносятся заблаговременно и работают после цикла отверждения. Эти материалы подобны краскам, которые вместо красящего пигмента содержат частицы твердых смазочных веществ, равномерно распределенные в смеси смол и растворителей. Некоторые антифрикционные покрытия отверждаются при нормальных условиях, не требуют какого-либо дополнительного оборудования и могут применяться в ремонтных мастерских и бытовых условиях (рис. 3).

Рис. 4. Болтовое соединение с антифрикционным покрытием Molykote 3400A LF

 

 

Часть антифрикционных покрытий для отверждения требует выдержки с нагревом до температур +120…+220 °С. Такие материалы используются в промышленных условиях при изготовлении метизов (рис. 4).

 

 

 

 

Основными преимуществами отверждаемых покрытий перед традиционными резьбовыми смазками являются:

– более эффективная защита от коррозии;
– более эффективное предотвращение заеданий и срывов резьбы;
– однократное нанесение на резьбовую поверхность в течение всего срока службы изделия;
– предотвращение налипания абразивных частиц, т.к. покрытие представляет собой сухую смазочную пленку.

Состав и характеристики антифрикционных покрытий Molykote приведены в таблице 3.

Таблица 3. Характеристики антифрикционных покрытий (АФП) Molykote

Наименование показателя / Наименование АФП 3400A LF 3402C LF D-106 D-7409
Цвет Серый Серый Темно-серый Темно-серый
Твердые смазочные материалы Дисульфид молибдена Дисульфид молибдена Дисульфид молибдена, графит Дисульфид молибдена, графит
Связующее вещество Эпоксидная смола Органическое Эпоксидная смола Полиамидимид
Верхний предел рабочих температур, °С + 430 + 310 + 250 + 300
Условия полного отверждения (выдержка/температура), мин/°С 30/200 120/20 60/200 30/220

Таблица 3. Характеристики антифрикционных покрытий (АФП) Molykote. Продолжение

Наименование показателя / Наименование АФП D-3484 D-708 D-7405 D-321R
Цвет Серо-черный Черный Желтовато-зеленый Серо-черный
Твердые смазочные материалы Дисульфид молибдена, графит Политетра-фторэтилен Синтетические Дисульфид молибдена, графит
Связующее вещество Фенольное Эпоксидная смола Полиамидимид Титанат
Верхний предел рабочих температур, °С + 250 + 240 + 200 + 450
Коэффициент трения в болтовом соединении (М12, материал 8.8) для головки болта/для резьбы 0,03/0,14 0,12/0,12 0,12/0,12 0,04/0,09
Условия полного отверждения (выдержка/температура), мин/°С 10/170 20/200 60/120 120/23

 

3.3. Проникающие смазки

При необходимости демонтировать старые резьбовые соединения, не обработанные при сборке смазочными материалами или покрытиями, нередко возникают проблемы, вызванные коррозией и прикипанием резьбы. При этом возможны ее срыв, деформация или разрушение деталей. Для облегчения демонтажа заржавевших резьбовых соединений рекомендуется применять проникающие смазки – специальные смазочные материалы и дисперсии с высокими проникающими свойствами: Molykote Supergliss, Molykote Multigliss и Molykote Omnigliss.

 

4. Заключение

Современная практика показала экономическую целесообразность применения специальных смазок при сборке резьбовых соединений для предупреждения их отказа. Очевидно, что затраты на применение смазочного материала и затраты на возможные последствия отказа и ремонт несопоставимы.

 

 

Другие статьи