不锈钢紧固件知识解读.docx
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不锈钢紧固件知识解读.docx
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不锈钢紧固件知识解读
一、不锈钢的特性:
1、不锈钢定义:
不锈钢通常指具有抵抗空气、水、酸、碱盐或其它介质腐蚀能力的钢根据合金成份的不同,分别侧重不锈性和耐酸性,有些钢虽然具有不锈性,但不一定耐酸,耐酸钢通常具有不锈性。
所有的不锈钢没有一种能够应付所有的腐蚀环境,都可以不生锈。
“不锈钢”是一种错误的名称,因为没有一种能够应付所有腐蚀环境,都可以不生锈的,不锈钢的真正含义只是“难生锈”而已。
2、不锈钢的分类:
(1)按组织结构:
马氏体不锈钢,铁表体不锈钢,奥氏体不锈钢,双相不锈钢;
(2)按钢中主要化学成份:
铬不锈钢镍不锈钢,铬镍钼不锈钢,超低碳不锈钢。
(用于生产紧固件主要使用300系奥氏体不锈钢,此类不锈钢的主要化学成份是18%铬加8%镍,即一般所称的18-8不锈钢,属铬镍不锈钢系列)
(3)奥氏体不锈钢的特性:
正常状态下无磁性,冷作加工后略有磁性;在各种温度,均可保持其奥斯田组织,不发生相变,所以不能用热处理使其硬化;但施予冷作加工,可使其硬化,并增加强度。
主要有以下几种钢种:
302HQ(0Cr18Ni9Cu3)、SUS304(0Cr18Ni9)、304M、304J3(302HC)、316(0Cr17Ni12Mo2)、316L(0Cr17Ni14Mo2)。
其化学成份为:
钢种
Crade
化学成份ChemicalComposition(%)
C
Max
Si
Max
Mn
Max
P
Max
S
Max
Ni
Cr
Mo
Cu
SUSXM7
(302HQ)
0.08
1.00
2.00
0.045
0.030
8.5-10.5
17-19
3.0-4.0
SUS304
0.08
1.00
2.00
0.045
0.03
8.0-11.0
17-19
304J3(HC)
0.08
1.00
2.00
0.045
0.03
8.0-10.5
17-19
1.0-3.0
304M
0.06
1.00
2.00
0.045
0.030
8.5-10.0
18-20
SUS316
0.08
1.00
2.00
0.045
0.030
10-14
16-18
2.0-3.0
SUS316L
0.03
1.00
2.00
0.045
0.030
12-15
16-18
2.0-3.0
其钢种特性介绍如下:
302HQ:
低碳,低氮,低硫,极低之加工硬化率,极佳之冷间加工性,适用于形状复杂,成型难度高之用途。
304:
加工硬化率适中,适于一般的冷加工及伸抽,冷加工性能较好。
304M:
中等的加工硬化率,适于一般的冷间加工及伸抽。
304HC:
添加铜取代镍,降低钢材之加工硬化率,且可维持较低之导磁性。
SUS316:
加钼,更佳的耐蚀性及耐孔蚀性。
SUS316L:
低碳,较316更佳的耐蚀性及更佳的冷加工性。
二、奥氏体钢螺栓、螺钉和螺柱机械性能
类别
组别
性能等级
螺纹直径
抗拉强度
minN/m㎡
规定非比例伸长应力
minN/m㎡
断后伸长量
min㎜
奥氏体
A1、A2
A3、A4
A5
50
≤M39
500
210
0.6d
70
≤M24
700
450
0.4d
80
≤M24
800
600
0.3d
奥氏体钢螺栓和螺钉的破坏扭矩M1.6-M16(粗牙螺纹)
螺纹
破坏扭矩
性能等级
50
70
80
M1.6
0.15
0.2
0.24
M2
0.3
0.4
0.48
M2.5
0.6
0.9
0.96
M3
1.1
1.6
1.8
M4
2.7
3.8
4.3
M5
5.5
7.8
8.8
M6
9.3
13
15
M8
23
32
37
M10
46
65
74
M12
80
110
130
M16
210
290
330
三、奥氏体不锈钢高温下的机械性能和低温下的适用性(ISO3506&GB/T3098.6)
如果螺栓,螺钉或螺柱经过计算认为是合适的,则相匹配的螺母也会符合要求。
(以下数据仅是指导性的)
1.高温下的机械性能:
高温下的屈服点σ2和规定非比例伸长应力σpo.2的数值与在室温下的数值之比(用%表示),见表1:
表1 受温度影响的σ2和σpo.2
钢组
σ2和σpo.2%
温度
+100℃
+200℃
+300℃
+400℃
A2、A4
85
80
75
70
C1
95
90
80
65
C3
90
85
80
60
注:
仅适用于性能等级70和80。
2.低温下的适用性:
低温下不锈钢螺栓,螺钉和螺柱的适用性,见表2:
表2低温下不锈钢螺栓,螺钉和螺柱的适用性(仅对奥氏体钢)
钢组
持续工作状态下,工作温度的较低极限
A2
-200℃
A4
螺栓和螺钉
-60℃
螺柱
-200℃
鉴于合金元素Mo降低奥氏体的稳定性,如果在紧固件的制造过程中高度变形,
该临界温度可调整到较高数值。
四、奥氏体不锈钢的磁性
所有奥氏体不锈钢紧固件,通常是无磁的;经过加工后,有些磁性可能是明显的。
各种材料被磁化能力的特性,也适用于不锈钢,只有在真空状态下才有可能完全无磁,磁场中材料的磁导率的测量是相对于材料在真空中的磁导率μr而言。
如果μr接近于1,则该材料具有低的磁性导率。
例如:
A2:
μr≈1.8
A4:
μr≈1.015
A4L:
μr≈1.005
F1:
μr≈5
磁性的强弱与钢材的合金成分密切相关:
磁性公式:
MD30=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+C)
18.5*Mo此值愈小磁性愈小。
五、产品使用注意事项
由于不锈钢与碳钢具有本质差别。
不锈钢具有较好的延展性,使用不当则易导致螺丝与螺帽配合后无法旋开。
即俗称“锁死”或“咬死”。
改善锁死主要可从以下几个方面改善:
1.正确选择产品:
(1)在使用之前先确认产品的机械性能是否能满足使用要求。
(如螺栓的抗拉强度和螺帽的安全负荷)。
(2)螺栓的长度选择应恰当,以旋紧后露出螺帽1-2个牙距为准。
2.减少磨擦系数:
(1)螺纹必须保持清洁。
(2)使用前必须添加润滑剂(如:
40#机油,黄油)
3.正确的操作方法:
(1)螺帽必须垂直于螺丝的轴线进行旋合,切勿倾斜。
(2)在旋紧过程中,施力必须均匀,用力不可超过安全扭力值。
(附安全扭力矩表)
(3)尽可能选用扭力扳手或套筒扳手,避免使用活动扳手或电动扳手。
(4)在高温状态下使用时必须冷却,且使用时不要快速旋转,以免温度急速上升而导致锁死。
(如电动扳手等)。
4.安全扭力矩矩参考表:
(1)使用设备:
扭力扳手,台虎钳,相匹配的套筒。
(2)螺丝与螺帽性能等级:
A2-70,304材质,抗拉力强度:
700N/㎜2,降伏强度:
450N/㎜2
(3)作业模式:
把螺丝头部垂直夹于台虎钳上,中间夹一块工件,一个平垫和一个弹垫,再套上螺帽均匀施力,当作用于螺由上的力大于以下数值时,螺帽可能无法再顺利旋出,所以在旋转时,应使用小于以下力矩,才可避免产品锁死。
(4)以下数据仅供参考:
单位:
牛顿
规 格
M20-2.5
M18-2.5
M16-2.0
M14-2.0
M12-1.75
安全扭矩
220
180
150
100
55
规格
M10-1.5
M8-1.25
M6-1.0
安全扭矩
40
20
9
奥氏体型不锈钢
常用的牌号为302、303、304、305四个牌号,即所谓的“18-8”型奥氏体不锈钢这四个牌号。
不论是抗腐蚀性,还是其机械性能都相类似。
选用的出发点是紧固件的生产工艺方法,而方法又取决于紧固件的尺寸和形状,同时还取决于生产的数量。
302型用于采用机械加工的螺钉和自攻螺栓。
303型为了改善切削加工性能,303型不锈钢中添加有少量的硫,用于采用棒料加工螺母。
304型适用于采用热镦工艺加工紧固件时,例如较长规格的螺栓,大直径的螺栓,它们均可能超出了冷镦工艺的范围。
305型适用于采用冷镦工艺加工紧固件时,例如冷成形螺母、六角螺栓。
309型和310型,它们的含Cr量和含Ni量都比18-8型不锈钢高,适用于高温下工作的紧固件。
316和317型,它们均含有合金元素Mo,因此它们的高温强度和耐蚀性能均比18-8型不锈钢高。
321型和347型,321型含有较稳定合金元素Ti,347型含有Nb,从而提高了材料的抗晶间腐蚀性能。
适用于焊后不退火或在420~1013℃服役的紧固件。
三、铁素体型不锈钢
430型普通铬钢,它的耐腐蚀性能和耐热性能比410型好,有磁性,但它不能够热处理强化,适用于对而耐腐蚀和耐热性能稍高的、强度要求一般的不锈钢紧固件。
四、马氏体不锈钢
410型和416型可以热处理强化,硬度在35~45HRC,机加工性能良好,用于一般用途的耐热耐腐蚀紧固件。
416型含硫量稍高,是易切削不锈钢。
420型,含硫量≧0.15%,机械性能提高,可以热处理强化,最大硬度值53~58HRC,用于要求较高强度的紧固件。
五、沉淀硬化不锈钢
17-4PH,PH15-7Mo,它们可以得到比通常的18-8型不锈钢更高的强度,因而被用于高强度、耐腐蚀不锈钢紧固件。
A-286,一种非标准不锈钢,比常用的18-8型不锈钢有更高的耐腐蚀性能,以及在温度增高时仍具有良好的机械性能。
用做高强度、耐热、耐腐蚀紧固件,可使用到650~700℃。
紧固件用不锈钢成分
牌号
C
Ni
Cr
Mn
Si
S
P
其它
中国牌号(近似)
302
0.15
7.0~10.0
17.0~19.0
2.0
1.0
0.03
0.045
1Cr18N9
303
0.15
8.0~10.0
17.0~19.0
2.0
1.0
0.15
0.20
Mo0.06
1Cr18Ni9
304
0.08
8.0~10.5
18.0~20.0
2.0
1.0
0.03
0.045
0Cr19Ni9
305
0.12
10.0~13.0
17.0~19.0
2.0
1.0
0.03
0.045
1Cr18Ni12
309
0.08
12.0~15.0
22.0~24.0
2.0
1.0
0.03
0.045
310
0.25
19.0~20.0
24.0~26.0
2.0
1.5
0.03
0.045
316
0.08
10.0~14.0
16.0~18.0
2.0
1.0
0.03
0.045
Mo2.0~3.0
0Cr17Ni12Mo2
317
0.03
11.0~15.0
18.0~20.0
2.0
1.0
0.03
0.045
Mo3.0~4.0
0Cr18Ni12Mo3Ti
321
0.08
9.0~12.0
17.0~19.0
2.0
1.0
0.03
0.045
Ti
0Cr18Ni9Ti
347
0.08
9.0~13.0
17.0~19.0
2.0
1.0
0.03
0.045
Nb
1Cr18Ni11Nb
430
0.12
16.0~18.0
1.0
1.0
0.03
0.04
1Cr17
410
0.15
11.5~13.5
1.0
1.0
0.03
0.04
1Cr13
416
0.15
12.0~14.0
1.25
1.25
0.15
0.04
2Cr13Ni2
420
≧0.15
12.0~14.0
1.0
1.0
0.03
0.04
2Cr13
17-4PH
0.07
3.0~5.0
15.0~17.5
1.0
1.0
0.03
0.04
Cu3.0~5.0
0Cr17Ni4Cu4Nb
PH15-7Mo
0.09
6.5~7.75
16.0~18.0
1.0
1.0
0.03
0.04
Al0.75~1.5
0Cr17Ni7Al
A-286
0.08
24.0~27.0
13.5~16.0
2.0
2.0
0.03
0.04
Mo1.0~1.5Ti1.9~2.35V0.10~0.50
不锈钢紧固件的磁性和锁死现象(预防措施)
1、奥氏体不锈钢的磁性(ISO3506,GB/T3098.6)
所有奥氏体不锈钢紧固件,通常是无磁的;经冷加工后,有些磁性可能是明显的。
各种材料被磁化能力的特性,也适用于不锈钢。
只有在真空状态下才有可能完全无磁。
磁场中材料的磁导率的测量是相对于材料在真空中的磁导率μr而言,如果μr接近于1,则该材料具有低的磁导率。
例如:
A2[μr≈1.8] A4[μr≈1.015] A4L[μr≈1.005] F1[μr≈5]
磁性的强弱与钢材的合金成分密切相关:
磁性公式:
MD30=551-462*(C+N)-9.2*Si-8.1*Mn-13.7*Cr-29*(Ni+Cu)-18.5*mo此值愈小磁性愈小。
2、紧固件的锁死现象
紧固件使用者经常会反映:
为何不锈钢紧固件有时会有锁死的问题,而在使用碳钢紧固件时并不常发生类似现象,是不是不锈钢紧固件材质较软、碳钢紧固件相对来说比较硬的原因呢?
没错!
不锈钢与碳钢具有本质上的差别。
不锈钢具有良好的延展性,但其硬度与碳钢有一定差距。
奥氏体不锈钢牌号316头标与A4-80的硬度实际上只能达到相当于碳钢硬度等级的8.8级。
然而,这种说法只能说是对了一半。
锁死(ThreadGalling)常发生在不锈钢、铝合金及钛合金制的紧固件上,这几类的金属合金本身有防锈性,会在表面受损伤时,在金属表面产生一层薄薄的氧化层(以奥氏体不锈钢而言,就是氧化铬)来防止进一步更深入的锈蚀。
当不锈钢紧固件被锁紧时,牙纹间所产生的压力与热力会破坏并抹去其间的氧化铬层,使得金属牙纹直接发生阻塞/剪切,进而发生黏着的现象。
当黏着的现象持续发生时(通常不超过一圈完整牙径),将使得不锈钢紧固件完全锁死,再也无法卸下或锁上。
通常这一系列的阻塞→剪切→黏着→锁死的一连串动作就发生在短短的几秒钟,因此,了解不锈钢制品的特性并遵循正确操作手续都是防止不锈钢紧固件锁死的第一步。
不锈钢紧固件锁死的原因一般有:
1)牙纹粗糙或有异物沾粘。
如有焊点及其它金属屑夹在牙纹间,常会导致锁死;2)用力太过或上锁速度过快尽可能选用扭力扳手或套筒扳手,避免使用活动扳手或电动扳手。
因为电动扳手常导致上锁速度过快,温度急速上升而锁死;3)施力方向角度错误。
螺帽必须垂直于螺丝的轴线进行旋合,切勿倾斜;4)未使用垫圈。
垫圈的使用能有效防止上锁过紧的问题。
要防止不锈钢紧固件的锁死,通常采用以下手段:
1)减缓上锁的速度。
一般来说,减缓上锁的速度能大幅度减少锁死的机会,因为热能常发生在上锁的时候,当热能增加时锁死的机会也将增加;2)可使用黄油、二硫化钼、石墨、云母或滑石粉来润滑内外牙纹,以减少锁死发生;3)扣停Coating也是一种有效的润滑方式,经过扣停处理的螺帽,将如同在螺帽与螺丝之间多了一层润滑膜。
3、奥氏体不锈钢螺栓和螺钉的破坏扭矩M1.6~M16(粗牙螺纹)
螺纹
破坏扭矩Tm(N.m)
性能等级
50
70
80
M1.6
0.15
0.20
0.24
M2
0.30
0.40
0.48
M2.5
0.60
0.90
0.96
M3
1.10
1.60
1.80
M4
2.70
3.80
4.30
M5
5.50
7.80
8.80
M6
9.30
13.00
15.00
M8
23.00
32.00
37.00
M10
46.00
65.00
74.00
M12
80.00
110.00
130.00
M16
210.00
290.00
330.00
不锈钢的性能与组织
目前已知的化学元素有100多种,在工业中常用的钢铁材料中可以遇到的化学元素约二十多种。
对于人们在与腐蚀现象作长期斗争的实践而形成的不锈钢这一特殊钢系列来说,最常用的元素有十几种,除了组成钢的基本元素铁以外,对不锈钢的性能与组织影响最大的元素是:
碳、铬、镍、锰、硅、钼、钛、铌、钛、锰、氮、铜、钴等。
这些元素中除碳、硅、氮以外,都是化学元素周期表中位于过渡族的元素。
实际上工业上应用的不锈钢都是同时存在几种以至十几种元素的,当几种元素共存于不锈钢这一个统一体中时,它们的影响要比单独存在时复杂得多,因为在这种情况下不仅要考虑各元素自身的作用,而且要注意它们互相之间的影响,因此不锈钢的组织决定于各种元素影响的总和。
1).各种元素对不锈钢的性能和组织的影响和作用
1-1.铬在不锈钢中的决定作用:
决定不锈钢性属的元素只有一种,这就是铬,每种不锈钢都含有一定数量的铬。
迄今为止,还没有不含铬的不锈钢。
铬之所以成为决定不锈钢性能的主要元素,根本的原因是向钢中添加铬作为合金元素以后,促使其内部的矛盾运动向有利于抵抗腐蚀破坏的方面发展。
这种变化可以从以下方面得到说明:
1铬使铁基固溶体的电极电位提高
②铬吸收铁的电子使铁钝化
钝化是由于阳极反应被阻止而引起金属与合金耐腐蚀性能被提高的现象。
构成金属与合金钝化的理论很多,主要有薄膜论、吸附论及电子排列论。
1-2.碳在不锈钢中的两重性
碳是工业用钢的主要元素之一,钢的性能与组织在很大程度上决定于碳在钢中的含量及其分布的形式,在不锈钢中碳的影响尤为显著。
碳在不锈钢中对组织的影响主要表现在两方面,一方面碳是稳定奥氏体的元素,并且作用的程度很大(约为镍的30倍),另一方面由于碳和铬的亲和力很大,与铬形成—系列复杂的碳化物。
所以,从强度与耐腐烛性能两方面来看,碳在不锈钢中的作用是互相矛盾的。
认识了这一影响的规律,我们就可以从不同的使用要求出发,选择不同含碳量的不锈钢。
例如工业中应用最广泛的,也是最起码的不锈钢——0Crl3~4Cr13这五个钢号的标准含铬量规定为12~14%,就是把碳要与铬形成碳化铬的因素考虑进去以后才决定的,目的即在于使碳与铬结合成碳化铬以后,固溶体中的含铬量不致低于11.7%这一最低限度的含铬量。
就这五个钢号来说由于含碳量不同,强度与耐腐蚀性能也是有区别的,0Cr13~2Crl3钢的耐腐蚀性较好但强度低于3Crl3和4Cr13钢,多用于制造结构零件,后两个钢号由于含碳较高而可获得高的强度多用于制造弹簧、刀具等要求高强度及耐磨的零件。
又如为了克服18-8铬镍不锈钢的晶间腐蚀,可以将钢的含碳量降至0.03%以下,或者加入比铬和碳亲和力更大的元素(钛或铌),使之不形成碳化铬,再如当高硬度与耐磨性成为主要要求时,我们可以在增加钢的含碳量的同时适当地提高含铬量,做到既满足硬度与耐磨性的要求,又兼顾—定的耐腐蚀功能,工业上用作轴承、量具与刃具有不锈钢9Cr18和9Cr17MoVCo钢,含碳量虽高达0.85~0.95%,由于它们的含铬量也相应地提高了,所以仍保证了耐腐蚀的要求。
总的来讲,目前工业中获得应用的不锈钢的含碳量都是比较低的,大多数不锈钢的含碳量在0.1~0.4%之间,耐酸钢则以含碳0.1~0.2%的居多。
含碳量大于0.4%的不锈钢仅占钢号总数的一小部分,这是因为在大多数使用条件下,不锈钢总是以耐腐蚀为主要目的。
此外,较低的含碳量也是出于某些工艺上的要求,如易于焊接及冷变形等。
1-3.镍在不锈钢中的作用是在与铬配合后才发挥出来的
镍是优良的耐腐蚀材料,也是合金钢的重要合金化元素。
镍在钢中是形成奥氏体的元素,但低碳镍钢要获得纯奥氏体组织,含镍量要达到24%;而只有含镍27%时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变。
所以镍不能单独构成不锈钢。
但是镍与铬同时存在于不锈钢中时,含镍的不锈钢却具有许多可贵的性能。
基于上面的情况可知,镍作为合金元素在不锈钢中的作用,在于它使高铬钢的组织发生变化,从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得某些改善。
1-4.锰和氮可以代替铬镍不锈钢中镍
铬镍奥氏体钢的优点虽然很多,但近几十年来由于镍基耐热合金与含镍20%以下的热强钢的大量发展与应用,以及化学工业日益发展对不锈钢的需要量越来越大,而镍的矿藏量较少且又集中分布在少数地区,因此在世界范围内出现了镍在供和需方面的矛盾。
所以在不锈钢与许多其他合金领域(如大型铸锻件用钢、工具钢、热强钢等)中,特别是镍的资源比较缺乏的国家,广泛地开展了节镍和以其他元素代镍的科学研究与生产实践,在这方面研究和应用比较多的是以锰和氮来代替不锈钢与耐热钢中的镍。
锰对于奥氏体的作用与镍相似。
但说得确切一些,锰的作用不在于形成奥氏体,而是在于它降低钢的临界淬火速度,在冷却时增加奥氏体的稳定性,抑制奥氏体的分解,使高温下形成的奥氏体得以保持到常温。
在提高钢的耐腐蚀性能方面,锰的作用不大,如钢中的含锰量从0到10.4%变化,也不使钢在空气与酸中的耐腐蚀性能发生明显的改变。
这是因为锰对提高铁基固溶体的电极电位的作用不大,形成的氧化膜的防护作用也很低,所以工业上虽有以锰合金化的奥氏体钢(如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13钢等),但它们不能作为不锈钢使用。
锰在钢中稳定奥氏体的作用约为镍的二分之一,即2%的氮在钢中的作用也是稳定奥氏体,并且作用的程度比镍还要大。
例如,欲使含18%铬的钢在常温下获得奥氏体组织,以锰和氮代镍的低镍不锈钢与元镍的铬锰氮不诱钢,目前已在工业中获
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