اطلاعات کاربردی برای پیچ و مهره ها

مفهوم کلاس و گرید پیچ و مهره ها

پیچ ها را بسته به نوع کاربری معمولا از جنس آهن کم کربن کلاس ۴.۶ و ۵.۶ ، آهن پر کربن خشکه کلاس ۸.۸ و بالاتر ، استیل و تیتانیوم میسازند. هر یک از این مواد اولیه مزایا و معایب خود را دارند که ویژگی منحصر به فردی برای کاربری ویژه به پیچ میدهند. بطور کلی پیچ های استیل و گالوانیزه به دلیل مقاومت بالایی که در برابر زنگ زدگی و خوردگی دارند انتخاب مناسبی برای مناطق مرطوب و یا در صنعت و شرایط محیطی اسیدی و خورنده دارند. گرید و یا کلاس پیچ و مهره مهمترین فاکتور در تعیین میزان  سختی، تنش کششی، تنش-برشی، پیچش و در واقع خواص فیزیکی و ذاتی پیچ دارند و در واقع آنچه در هند بوک های مهندسی برای انتخاب پیچ و مهره ها قید شده معمولا بیشتر در رابطه با ویژگی های ابعادی مهره و پیچ و این کلاس یا گرید است. کلاس پیچ و مهره با دو عدد مشخص میشود و در سیستم استاندارد بین المللی میباشد. عدد اول ضرب در ۱۰ میزان بار کششی است بر حسب کیلوگرم که یک میلیمتر مربع از سطح مقطع پیچ می تواند تحمل کند. عدد دوم ضربدر ۱۰۰ میزان درصدی از بار اول است که پیچ بدون تغییر فرم در حالت کششی میتواند تحمل کند.

پیچ و مهره کلاس ۵.۶

به پیچ آهن معروف هستند و در رتبه پیچ مهره ها با استقامت متوسط به پایین دسته بندی میشوند. در صنایع سنگین و بارهای زیاد کاربرد زیادی ندارند و صرفا نقش اتصال دهنده دارند. هر میلیمتر مربع آنها تنها بار ۵۰ کیلوگرم را تحمل میکند

پیچ و مهره کلاس ۸.۸

به پیچ و مهره خشکه معروف هستند و از آنجا که حد متوسطی از سختی و استقامت را دارند در صنایع مختلف کاربرد بسیار دارند و در واقع پرکاربرد ترین کلاس پیچ و مهره هستند. بار ۸۰ کیلوگرم رابصورت کششی در هر میلیمتر مربع تحمل میکنند

پیچ و مهره کلاس ۱۰.۹

از پیچ و مهره های بسیار پرکاربرد در صنایع ساختمانی سوله سازی و دکل ها هستند نسبت به کلاس پایین تر ترد ترند و هر میلیمتر مربع آنها ۱۰۰ کیلوگرم بار تحمل میکند و تا ۹۰% این بار را بدون تغییر فرم و کشیدگی تحمل میکند

پیچ و مهره کلاس ۱۲.۹

پیچ مهره کلاس ۱۲.۹ پرکاربرد ترین نوع اتصالات در صنایع سنگین دکلهای مخابراتی و صنایع پل سازی و سد سازی هستند. بر این مبنا هر میلیمتر مربع از سطح مقطع پیچ بار کششی ۱۲۰ کیلوگرم را تحمل کرده  و تا ۹۰% از این بار بدون تغییر شکل استقامت میکند

پیچ و مهره گرید ۲

پیچ و مهره گرید ۲ در سیستم آمریکایی طبق استاندارد ASTM A307 بوده و معمولا با پوشش زینک عرضه میشود و مصرف آن بیشتر در مواردی است که سختی متوسط کفایت میکند.معمولا از فولاد با کربن کم تولید می شوند

پیچ و مهره گرید ۵

پیچ و مهره گرید ۵ در دستگاه آمریکایی با استاندارد A325 در سیستم بین المللی شباهت بسیار داشته و از گرید ۲ کربن بیشتری دارند و در صنایع تولید ماشین آلات شیر آلات و پمپ استفاده فراوان دارند

پیچ و مهره گرید ۸

سخت ترین و پر کربن ترین در عین حال خشک ترین نوع پیچ مهره در سیستم آمریکایی محسوب میشوند. این پیچ و مهره ها با کلاس ۱۲.۹ در سیستم بین المللی قیاس شده و هر چند عملیات حرارتی و ترکیبی اندکی متفاوت دارند اما کارآیی بسیار مشابهی دارند

پیچ و مهره گالوانیزه و داکرومات

آبکاری پیچ و مهره ها از گذشته بسیار دور فرایندی برای مقاوم سازی آنها در برابر شرایط محیطی مرطوب، اسیدی و آمونیاکی بوده است. آبکاری بر حسب میزان حساسیت، نوع کاربری و غلظت مواد خورنده میتواند متفاوت باشد

بعنوان مثال پیچ و مهره های مورد استفاده در صنعت نفت و گاز نیاز به آبکاری مقاومتری نسبت به صنایع آب و فاضلاب هستند و در اولی از آبکاری کادیوم و دومی از گالوانیزه سرد و گرم استفاده میشود

متداول ترین نوع آبکاری پیچ و مهره های گالوانیزه سرد گرم و داکرومات است. فرایند گالوانیزه سرد صرفا یک لایه نازک از روی را روی سطح خارجی قرار میدهد و هر گونه خراش کوچک در آن شرایط را برای زنگ زدن فراهم میکند و از آن رو تنها برای مواردی که احتمال بالا رفتن رطوبت وجود دارد مناسب است و در شرایط با رطوبت بالا کارایی چندانی ندارد

استفاده از آبکاری گالوانیزه گرم برای محافظت سطحی پیچ و مهره ها در شرایط گرم و مرطوب و تا اندازه ای اسیدی از دیر باز بسیار مرسوم بوده است. هر چند این فرایند نقاط ضعف زیادی نسبت به آبکاری داکرومات دارد. یکی از مهمترین آنها پایین آمدن سختی بدلیل دمای بالای فرایند نزدیک به ۴۶۰ درجه است. یکی دیگر از معایب آن در مقایسه با پوشش داکرومات افزایش ضخامت سطحی و ایراد در اتصال راحت پیچ و مهره گالوانیزه گرم است بطوریکه معمولا بعد از انجام آبکاری گالوانیزه گرم مهره ها برای اتصال راحت اورسایز میشوند که این امر خود موجب افزایش خوردگی مهره ها میشود

کدخوانی پیچ و مهره متریک و اینچی

کد خوانی پیچ و مهره های متریک و اینچی برای معرفی پیچ و مهره ها از کدهایی استفاده می شود. این کد ها در سیستم متریک و سیستم استاندارد آمریکایی بصورت متفاوتی معرفی می شوند. آنچه در تمام  کدها در تمام سیستم ها ثابت است نوع پیچ، ابعاد پیچ شامل قطر و طول در سیستم متریک به میلی متر و در سیستم آمریکایی به اینچ و کلاس یا گرید پیچ است

پیچ و مهره ها در حالت کلی

در حالت کلی برای تمام انواع پیچ آنچه در توصیف پیچ نوشته میشود شامل

نوع پیچ + نوع آچار + گل پیچ + متریال یا جنس پیچ + ابعاد پیچ

به عنوان مثال

Machine screw Phillips pan       Stainless steel 18-8       ۱/۴ – ۲۰ x 2”

پیچ ماشینی چهارسو ، سر عدسی، استنلس استیل گرید ۱۸-۸ قطر ۱/۴ اینچ ۲۰ دنده در اینچ و طول ۲ اینچ

کدخوانی پیچ آلن در سیستم متریک

Hex Bolt M22X3.0X80 DIN933 8.8 Hot deep Galv

پیچ شش گوش قطر ۲۲ میلی متر طول ۸۰ میلی متر طول گام ۳ میلی متر استاندارد تولید DIN933 تمام دنده، کلاس ۸.۸ با پوشش گالوانیزه گرم

Allen Bolt M16X2.0X60 DIN912 10.9 Dacromet

پیچ آلن قطر ۱۶ میلی متر طول گام ۲ میلی متر طول ۶۰ میلی متر استاندارد تولید ۹۱۲ کلاس ۱۰.۹ آبکاری داکرومات

بنابر این در سیستم متریک المان های تشکیل دهنده کد پیچ و مهره عبارتند از

نوع پیچ  شش گوش HEX Bolt و پیچ آلن Socket Bolt / Allen Bolt

ابعاد پیچ  M22X3.0X80 قطر پیچ-طول گام-طول پیچ

استاندارد تولید DIN933, DIN931, DIN9614, DIN320, DIN490,….

کلاس ۵.۶، ۸.۸، ۱۰.۹ و ۱۲.۹

آبکاری

کد خوانی پیچ های آلن و شش گوش در سیستم آمریکایی

در سیستم آمریکایی تمام اعداد به اینچ بیان می شوند و بر خلاف استاندارد متریک که طول گام پیچ مشخص میشود در سیستم آمریکایی تعداد دنده دراینچ بیان شده است.

Hex Bolt 1-1/4 – ۲۰U.C x 3″ G5

پیچ شش گوش قطر ۱-۱/۴ اینچ دارای ۲۰ دنده در اینچ ، دنده درشت، طول پیچ ۳ اینچ و گرید پیچ ۵

منظور از U.C استاندارد United Coarse دندانه درشت بوده که در مقابل U.F United Fine دنده ریز قرار میگیرد.

استادبولت ها نیز در سیستم آمریکایی تولید و خوانده میشوند و معمولا اینچی هستند

Stud Blot 1-3/4X2-1/2 A193 B7

استاد بولت به قطر۱ ۳/۴ اینچ و طول ۲ ۱/۲ اینچ طبق استاندارد ASTM B7

استاندارد معمول استد بولت ها B7,B8 Stainless steel, B16 می باشد

طول گام و عمق دنده پیچ و مهره متریک

طول گام و عمق دنده پیچ و مهره متریک قبلا درباره نحوه اندازه گیری طول گام، قطر پیچ، قطر گام و عمق دنده صحبت کردیم و اختلاف فاز دنده های روبرو در پیچ و مهره ها را شرح دادیم. در اینجا بیشتر به بحث ابعادی و اهمیت آن در استحکام و تنش تسلیم می پردازیم

پیچ و مهره های استاندارد متریک که در حال حاضر در سر تا سر دنیا تولید شده و به عنوان استاندارد پذیرفته شده اند با دو نوع دنده استاندارد Coarse thread یا دنده درشت , Fine thread یا دنده ریز تولید می شوند. هر یک از این دو نوع دنده دارای مزایا و معایبی هستند که در ادامه بحث به آن خواهیم پرداخت

جنس و متریال پیچ ، مهره و واشر

استنلس استیل

استنلس استیل ترکیبی از فولاد کم کربن با کروم به منظور افزایش مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی بوده و از متریالهای متداول در تولید پیچ و مهره ها است.  استنلس استیل مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد و از آنجا که ویژگی های مقاومتی در ساختار اصلی متریال است خراش سطحی مقاومت آنها را کاهش نمی دهد.

البته این یک تفکر اشتباه است که پیچ های استنلس استیل مقاومت، سختی و یا تنسایل بالاتری نسبت به پیچ های فولادی دارند. بلکه ساختار استنلس استیل بگونه ای است که انعطاف یا چکش خواری بالاتری نسبت به فولاد داشته اما تنسایل، سختی و مقاومت کمتری نسبت به پیچ و مهره های فولادی دارد. تنها مقاومت در برابر عوامل خورنده پیچ و مهره های استنلس استیل است که نسبت به فولاد ارجحیت دارد. علاوه بر آن متریال استنلس استیل بدلیل کم کربن بودن قابلیت سخت کاری حرارتی را ندارد. پیچ های استنلس استیل بر خلاف فولادی خاصیت مگنتیک جذب شوندگی به آهنربا را نداشته و یا برخی گرید های آنها به میزان بسیار کمی دارد

استنلس استیل ۸-۱۸ که ۱۸% کروم و ۸% نیکل در ساختار خود دارد و پر مصرفترین نوع استنلس استیل در تولید ابزار و پیچ و مهره ها می باشد

استنلس استیل ۳۱۶ معروف به نگیر که توسط آهنربا جذب نمی شود و به شدت در برابر عوامل خورنده مقاومت دارد

استنلس استیل ۴۱۰ که سختی بیشتری نسبت به ۸-۱۸ دارد اما مقاومت در برابر خوردگی و زنگ زدگی آن کمتر است

پیچ و مهره های فولادی

فولاد پر مصرفترین متریال در تولید اتصالات بشمار میرود. پیچ و مهره های فولادی هم بصورت سیاه و هم با آبکاری های مختلفی از زینک، گالوانیزه سردو گرم ، کروم و آبکاری کادمیوم عرضه میگردند. پیچ های فولادی معمولا در چهار گرید ۲، ۵، ۸ و آلیاژ فولاد در دستگاه استاندارد آمریکایی و در چهار کلاس ۵.۶ ، ۸.۸، ۱۰.۹ و ۱۲.۹ در سیستم بین المللی ساخته میشوند. گرید های ۲، ۵ و ۸ معمولا توسط یک لایه آبی روشن و یا زرد روشن از زینک پوشانیده شده اند و یا گالوانیزه شده تا در برابر زنگ زدگی مقاوم شده باشند

سیلیکون برنز

پیچ های متریال سیلیکون برنز و یا معروف به پیچ برنز از آلیاژ مس و سیلیکون ساخته شده اند. از پیچ های برنز معمولا در سازه های دریایی استفاده شده و در ساخت قایق ها به جنس استنلس استیل ترجیح داده میشود چرا که در برابر املاح دریا مقاومت خوردگی بالاتری از استنلس استیل دارد و سختی بالاتری نیز بدلیل مس داخل آن دارد. برنز شباهت بسیار زیادی از نظر رنگ به مس دارد اما دلیل استفاده کم تر از پیچ های برنزی قیمت بالای این فلز است

آلومینیوم

آلومینیوم فلزی نرم، سبک و مقاوم در برابر خوردگی است. مانند استنلس استیل آلومینیوم نیز مقاومت ذاتی در برابر خوردگی دارد بنابراین خراش سطحی مقاومت خوردگی آن را کم نمیکند

پیچ و مهره ها از آلیاژهای مختلفی از آلومینیوم تولید میشوند. ترکیباتی چون آهن، منگنز، مس ، روی و سیلیکون با درصدهای متفاوت در ساختار این آلیاژها یافت می شوند که به آلومینیوم استقامت کششی و حرارتی بهتری میدهند

مزایا و معایب پیچ و مهره گالوانیزه گرم

مزایا و معایب پیچ و مهره گالوانیزه گرم فرایند گالوانیزه گرم یکی از انواع آبکاریهای پرکاربرد پیچ و مهره ها در کنار آبکاری گالوانیزه سرد و داکرومات می باشد. هر چند که امروزه در دنیای مهندسی این آبکاری به سبب مشکلاتی که دارد با آبکاری داکرومات جایگرین شده است. در زیر به این مزایا و معایب بیشتر می پردازیم

مزایای پیچ و مهره گالوانیزه گرم

در فرایند گالوانیزه گرم روی به داخل سطح فولاد نفوذ کرده و یک پوشش سطحی بسیار مقاوم را به بوجود می آورد به گونه ای که ایجاد خراش بر روی سطح پیچ و مهره ها نیز آنها را در معرض زنگ زدگی قرار نمیدهد. این پوشش از زینک یا روی از ۳۵ الی ۸۵ میکرون بسته به قطر پیچ و مهره متفاوت است.

معایب پیچ و مهره گالوانیزه گرم

فرایند گالوانیزه گرم در دمای بسیار بالا ۴۴۵-۴۶۵ درجه سانتی گراد صورت میگیرد که این دما باعث میشود در اکثر مواقع سخت پیچ و مهره چند راکول افت کند بطوریکه پیچ و مهره کلاس ۱۰.۹ پس از انجام پروسه گالوانیزه گرم گاهی در تست های کشش و ضربه به اندازه ۹.۸ سختی از خود نشان میدهد. از این نظر فرایند آبکاری داکرومات به گالوانیزه گرم ارجحیت دارد

طی فرایند گالوانیزه گرم لایه ای از روی بر روی سطح پیچ و مهره قرار گرفته و باعث میشود قطر اسمی آنها چند میکرون روی سطح و در کل دور یک دایره افزایش یافته و این امر بستن مهره روی پیچ را با مشکلاتی مواجه میکند. برای حل این مشکل مهره ها را قبل از انجام فرایند آبکاری گالوانیزه گرم اور سایز میکنند که مشکلات خود را دارد و باز هم بعد از فرایند گالوانیزه مشکلات اتصال بخوبی حل نشده است. راه حل قطعی مشکل اور سایز شدن در فرایند گالوانیزه گرم اور سایز کردن مهره ها پس از گالوانیزه است که در واقع برداشتن لایه محافظ روی از داخل مهره بوده و بار دیگر آنها را در معرض خوردگی قرار میدهد