Śruby z tworzywa vs. śruby metalowe

Stając przed wyborem między śrubami wykonanymi z metalu lub tworzywa, często decydujemy się na te pierwsze. Dlaczego je faworyzujemy? Czy wynika to z przyzwyczajenia, czy raczej niedostatecznej wiedzy na temat tworzyw sztucznych? Wkręty metalowe charakteryzują się wprawdzie wysoką wytrzymałością, ale nie są produktem uniwersalnym i nie zawsze można je zastosować. Jakie mamy zatem alternatywy? Przeczytaj nasz artykuł i dowiedz się kiedy warto, a nawet trzeba wybrać inny materiał.

Wkręty metalowe czy plastikowe - jakie wybrać?

Zastanówmy się chwile, jakie mamy pierwsze skojarzenia gdy przeciwstawimy sobie te dwa surowce? Najczęściej przychodzi nam na myśl trwałość i odporność metalu oraz łamliwość i zła jakość “taniego plastiku”. Zapewne podobnie jest w przypadku doboru elementów złącznych - w pierwszej kolejności kierujemy się opiniami utartymi w naszej podświadomości, a dopiero później wiedzą merytoryczną. Aby zerwać z mitami, stan faktyczny musi głośno wybrzmieć: każdy materiał ma swoje zalety i wady

Okazuje się, że nawet najlepiej dobrany kształt i rozmiar śruby nie zagwarantuje długiej żywotności połączenia, jeśli materiał elementu złącznego nie będzie dopasowany odpowiednio do środowiska pracy. Właśnie dlatego w pierwszej kolejności powinniśmy przeanalizować warunki otoczenia, w jakich zostaną one użyte, a następnie przyjrzeć się zaletom każdego z materiałów i ocenić, które z nich są dla nas kluczowe, a z których możemy zrezygnować. Porównajmy zatem wszystkie walory obu rodzaju śrub.

Śruby z metalu:

• Trwałość połączenia

• Odporność mechaniczna

• Odporność termiczna

• Możliwość montażu bez otworowania (wkręty)

Śruby z tworzywa:

• Właściwości elektroizolacyjne

• Odporność na korozję

• Odporność na agresywne substancje chemiczne

• Niski współczynnik przewodnictwa cieplnego

• Niewielki ciężar

• Stabilność wymiarowa

• Tłumienie drgań

• Wytrzymałość zmęczeniowa

• Szeroka gama kolorystyczna

Zalety i wady śrub stalowych

Najpopularniejszym surowcem stosowanym do produkcji śrub metalowych jest stal, dlatego opisując zalety i wady komponentów skupimy się tylko na tym materiale.

Niezaprzeczalną zaletą metalowych wkrętów jest ich wytrzymałość. Należy jednak pamiętać, że o właściwościach mechanicznych tych elementów decyduje rodzaj stali, z której zostały wyprodukowane, dlatego nie można wrzucać wszystkich do jednego worka. W zależności od wytrzymałości na rozciąganie oraz wymaganej granicy plastyczności, stosuje się dwucyfrowe oznaczenia tzw. klasy wytrzymałości. Im wyższe cyfry, tym większa wytrzymałość. Do zastosowań przemysłowych wykorzystuje się zwyczajowo śruby o klasie 8.8 lub wyższej.

Odporność termiczna jest kolejnym atutem stalowych śrub. Wysoka temperatura topnienia zarówno stali węglowej, jak i nierdzewnej sprawiają, że mogą zostać użyte w ekstremalnych temperaturach przekraczających 400°C. Dla porównania - zalecana  temperatura stosowania większości tworzyw sztucznych nie przekracza 120°C. Niestety w wyższych temperaturach uzewnętrzniają się także mankamenty stali. Rozszerzalność cieplna metali powoduje zwiększenie objętości materiału w wysokich temperaturach oraz odpowiednio zmniejszenie w niskich. W przypadku śrub może doprowadzić to do zapieczenia lub poluzowania połączenia gwintowego. Metalom przypisuje się dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, które w wypadku wkrętów nie zawsze można traktować jako cechę dodatnią. Przykładowo w branży elektrotechnicznej materiał ten zastępowany jest często elementami z tworzywa, aby uniknąć niechcianych wyładowań.

Mimo licznych technologii obróbki stali nadal nie wynaleziono sposobu na całkowitą ochronę tego materiału przed korozją. Okazuje się, że wszelkie powłoki ochronne (np. ocynk) zdzierają się nie tylko w trakcie użytkowania, ale już podczas montażu, odsłaniając łatwo utleniającą się stal. Niestety także stal nierdzewna ulega degradacji. Wprawdzie nie od razu i nie pod wpływem zwykłych warunków atmosferycznych, ale w połączeniu z chemikaliami już tak (korozja wżerowa, szczelinowa, galwaniczna, międzykrystaliczna, naprężeniowa). Należy pamiętać, że stal nierdzewna nie jest odporna na działanie substancji chemicznych. Podobnie jest z kosztowną stalą kwasoodporną, która nawet w środowisku kwasowym traci z upływem czasu swoje właściwości, a jej struktura ulega zniszczeniu. Okazuje się, że aplikacja śrub z tworzywa w takich warunkach jest bardziej opłacalna, mimo krótszej żywotności (w porównaniu z kwasówką).

Minimalizacja ciężaru konstrukcji była zawsze ważnym aspektem projektowym. Wysoka waga stali wyklucza udział elementów złącznych wykonanych z tego surowca w podobnych koncepcjach. Alternatywą dla stalowych śrubek są komponenty wykonane z aluminium, jednak w tym wypadku trzeba liczyć się z kilkakrotnie większymi kosztami. Większość inżynierów rezygnuje z takich rozwiązań na korzyść elementów wykonanych z tworzywa.

Zalety i wady śrub z tworzywa

Nowoczesne technologie pozwalają nadać tworzywom sztucznym praktycznie dowolne właściwości fizykochemiczne. Takie materiały przewyższają pod wieloma względami stal oraz inne metale - są lżejsze, nie korodują, posiadają także lepszą zdolność deformacji i wiele innych atutów. Które z nich mają znaczenie w produkcji śrub?

Zacznijmy od niewielkiego ciężaru komponentów, który ma kluczowe znaczenie nie tylko w inżynierii lotniczej i kosmicznej, ale również w bardziej przyziemnych konstrukcjach np. w obiektach przenośnych. Śruby z tworzywa redukują skutecznie wagę całej konstrukcji i ułatwiają jej transport.

Branża budowlana coraz częściej sięga po tworzywa konstrukcyjne, w szczególności w elementach architektonicznych wystawionych na ciągłe działanie wody. W odróżnieniu od części metalowych nie rdzewieją - nie wymagają dodatkowych powłok zabezpieczających, czy okresowej konserwacji. Inną ważną zaletą wkrętów tworzywowych jest wysoka stabilność wymiarowa, która gwarantuje stałość kształtu i objętości nawet przy dużych skokach temperatury.

Jak powszechnie wiadomo, tworzywa sztuczne są znakomitymi izolatorami i właśnie ta cecha elementów złącznych zyskała największe uznanie w branży elektrycznej i elektrotechnicznej. Zastosowanie tego materiału wyeliminowało wiele problemów związanych z bezpieczeństwem m.in. ryzyko porażenia prądem, spięcia elektryczne czy nawet zapłon urządzenia. Z kolei właściwości termoizolacyjne śrub tworzywowych wykorzystywane są m.in. w budownictwie do ograniczenia mostków cieplnych.

Jednym z kryteriów, który często decyduje o wyborze śrub z tworzywa jest dobra odporność na działanie substancji chemicznych. Polimery termoplastyczne nie ulegają znacznym uszkodzeniom pod wpływem działania większości nieorganicznych substancji rozpuszczalnych w wodzie (kwasy, zasady, sole). Inaczej wygląda to w przypadku chemikaliów pochodzenia organicznego, które mogą wchodzić w reakcję z termoplastami. Prowadzi to najczęściej do pęcznienia, a czasami do rozpuszczenia materiału. Na odporność chemiczną ma oczywiście wpływ jeszcze wiele innych czynników m.in. rodzaj i jakość tworzywa, stężenie substancji, czy temperatura otoczenia. Dlatego przed podjęciem decyzji należy przyjrzeć się szczegółowo odporności chemicznej konkretnego materiału.

Legenda: A - stabilny  B - od stabilny do małostabilny  C - mało stabilny  D - od mało stabilny do niestabilny  E - niestabilny

Do produkcji śrub oraz innych elementów złącznych wykorzystuje się różne polimery, jednak jednym z najchętniej stosowanych jest poliamid. Co wyróżnia ten materiał na tle innych? Przede wszystkim znakomita wytrzymałość mechaniczna. Komponenty poliamidowe mogą być zastosowane w obszarach z obciążeniami udarowymi i zmęczeniowymi, ponadto doskonale tłumią drgania. Optymalna odporność poliamidu na ścieranie chroni części przed szybkim zużyciem, przyczynia się także do dobrych właściwości ślizgowych. W grupie poliamidów wyróżniamy kilka rodzajów tworzyw, różniących się od siebie składem i właściwościami. Stosowany powszechnie przez większość przedsiębiorstw poliamid 6 wykazuje wprawdzie wszystkie wymienione cechy, jednak opisywany jest on często jako gatunek do ogólnego zastosowania. Firma BÄCKER wykorzystuje do produkcji śrub standardowo poliamid 6.6, który w porównaniu z PA 6 wykazuje wyższą odporność mechaniczną, lepszą odporność na pełzanie oraz lepszą przetwarzalność. Szczególnym rodzajem tego polimeru jest poliamid wzmocniony w 30% włóknem szklanym. W porównaniu z PA 6 oraz PA 6.6 charakteryzuje się on zwiększoną wytrzymałością na rozciąganie i ściskanie oraz wyższą temperaturą pracy. Właściwości PA 6.6 GF są doceniane zwłaszcza w branży przemysłowej, dla której priorytetem jest zachowanie wysokich standardów produkcji.

Istnieje jeszcze jedna przewaga części z tworzyw sztucznych nad częściami metalowymi, która z przemysłowego punktu widzenia jest być może mało znacząca, ale warto o niej wspomnieć. Można je wyprodukować w praktycznie każdym kolorze, bez konieczności nanoszenia dodatkowych powłok lakierniczych.

Mimo prężnego rozwoju w dziedzinie polimerów syntetycznych, wciąż nie udało się stworzyć materiału o zbliżonej do stali odporności termicznej i mechanicznej. Osiągi wysokowydajnych tworzyw są coraz lepsze, dlatego jest to zapewne tylko kwestia czasu. Rozwiązaniem i dobrą alternatywą mogą być na chwilę obecną śruby dwukomponentowe składające się z metalowego elementu gwintowanego zatopionego w tworzywie. Łączą one atuty obu materiałów.