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碳鋼
碳鋼有出色的可加工性,可以滿足比較廣泛的強(qiáng)度性能組合,且與其它緊固件材料對比成本也較低。
碳鋼的機(jī)械性能對含碳量很敏感,含碳量通常低于1.0%。對緊固件來說,普通鋼材分為三種:低碳鋼、中碳鋼和合金鋼。
低碳鋼
低碳鋼的含碳量通常低于0.25%,并且不能通過熱處理來提高強(qiáng)度;只能通過冷作硬化來提高強(qiáng)度。低碳鋼相對較軟和強(qiáng)度較弱,但具有出色的延展性和韌性,另外還具有易加工性和可焊接性,相對來說生產(chǎn)成本較低。舉例來說,低碳材料的屈服強(qiáng)度為40000psi,抗拉強(qiáng)度為60000~80000psi,延展性25%EL。最常用的材料是AISI美國鋼鐵學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1006, 1008, 1016, 1018, 1021和1022幾種牌號。
SAEJ 429標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的等級1、ASTM A 307等級A這兩標(biāo)準(zhǔn)在本質(zhì)是相同的,是低碳鋼強(qiáng)度等級的標(biāo)準(zhǔn)。ASTM A 307等級B則是一種特殊的低碳鋼等級,適用于管件和法蘭上的低碳鋼螺栓。它的性能和等級A基本相同,除了規(guī)定了特殊的最大抗拉強(qiáng)度。這是為了確保一旦在安裝過程中出現(xiàn)了超擰問題,螺栓將在破壞法蘭、閥門和管道之前斷掉。SAE J 429等級2是一種經(jīng)過冷作硬化來提高強(qiáng)度的低碳鋼等級。
中碳鋼
中碳鋼的含碳量為0.25~0.6 %(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。此類鋼可以通過奧氏體化、淬火并回火等熱處理方法來提高機(jī)械性能。普通中碳鋼淬透性較差,必須是較小的截面才能夠充分淬透,并且淬火時(shí)需急冷。這就意味著緊固件的最終性能取決于其規(guī)格大小。請注意SAE J 429等級5、ASTM A325和ASTM A 449中隨著直徑增加其強(qiáng)度性能逐漸“退化”的說明。
從強(qiáng)度與成本的比率來說,經(jīng)熱處理的中碳鋼零件有出色的承載能力,同時(shí)具有很低的屈強(qiáng)比;也有很好的韌性。常用的材料是AISI美國鋼鐵學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1030、1035、1038和1541幾種牌號。
合金鋼
當(dāng)碳鋼的含錳量超過1.65%、或硅或銅的含量超過0.6 %、或含鉻量不超過4%時(shí),可稱為合金鋼。另外,當(dāng)碳鋼中加入了規(guī)定最低含量的成分如鋁、鈦、釩、鎳或其它元素以達(dá)到某些性能要求的也稱為合金。鉻、鎳、鉬的加入可以提高合金鋼熱處理后的材料強(qiáng)度和延展性能。
SAEJ 429等級8、ASTM A 354等級BD、ASTMA 490、ASTM A 193 B7都屬于常見的合金鋼緊固件。
不銹鋼
不銹鋼是鉻含量達(dá)到10.5%以上的鐵基合金鋼。鉻的存在使鋼材表面生成一層看不見的膜,它能防止氧化,使材料“鈍化”或者說抗腐蝕。添加其它如鎳或鉬等元素能提高抗腐蝕性、強(qiáng)度和耐溫性。
不銹鋼可按其金相組織分為三個(gè)種類:奧氏體、馬氏體和鐵素體。每一類都有各自的特性,并且還細(xì)分成幾個(gè)等級或類型。而且,為了適應(yīng)不同的腐蝕條件、溫度范圍、強(qiáng)度要求、焊接性能、機(jī)加工切削性能、冷作硬化和成型能力等需要,可以通過改變化學(xué)成分來進(jìn)一步研制出新的合金鋼。
奧氏體不銹鋼的鉻和鎳的含量比其它類型的不銹鋼高。奧氏體不銹鋼不能通過熱處理來提高硬度。但具有較高的抗腐蝕性。一般沒有磁性;但在冷加工過程后部分零件可能產(chǎn)生輕微的磁性。奧氏體的抗拉強(qiáng)度為75000~105000psi。
18-8不銹鋼是典型的奧氏體不銹鋼類型,含有約18%鉻和8%鎳。18-8不銹鋼中包括302、303、304和XM7等級別。
常見奧氏體不銹鋼等級:
·302:常用不銹鋼,在一般大氣條件下表面呈啞光色,在相當(dāng)高的溫度下仍具有較高強(qiáng)度。具有抗腐蝕能。經(jīng)過加工有較高的強(qiáng)度。通常用作鋼絲制品,例如:彈簧、篩網(wǎng)、鋼纜等。也常用作平墊圈。
·302HQ:特別添加的銅元素降低了冷作硬化的效果,使其易于冷墩加工。通常用于機(jī)器螺釘、金屬螺釘和小螺母。
·303:含有少量的硫,具有很好的機(jī)加工性能,經(jīng)常用于加工非標(biāo)螺栓和螺母。
·304:低碳高鉻的不銹鋼,與302相比具有更好的抗腐蝕能力,304是最常用于六角頭螺栓的不銹鋼,常用冷鐓方式加工,對于大直徑或長規(guī)格螺栓也常用熱鐓方式加工。
·304L:碳的含量比304低,因此強(qiáng)度略低一點(diǎn)。含碳量低也因此使其有很好的抗腐能力和焊接性能。
·309&310:鎳和鉻的含量均高于上述幾種低牌號的鋼,推薦用于高溫條件下。310對鹽水和其他惡劣環(huán)境的耐腐蝕性能都非常好。
·316和317:對海水和多種化學(xué)物質(zhì)的抗腐能力非常卓越,因其含有鉬,其對表面點(diǎn)蝕有很好的抵抗能力。此類鋼在高溫下比其他奧氏體鋼具有更高的抗拉強(qiáng)度和抗蠕變強(qiáng)度。
奧氏體不銹鋼的局限性:
·僅適用于低濃度的弱酸。
·在縫隙和密閉的場合,可能沒有足夠的氧氣來維持鈍化膜,可能引起縫隙腐蝕。
·很高濃度的鹵素離子,尤其是氯離子能破壞鈍化膜。
馬氏體不銹鋼經(jīng)熱處理后,其金相組織主是馬氏體組織。此類型的不銹鋼含有鉻12~18%。可通過熱處理提高硬度,焊接性能差,有磁性。馬氏體不銹鋼的抗拉強(qiáng)度約在70000~145,000 psi。此類型不銹鋼材料適用于低腐蝕環(huán)境。
常見馬氏體不銹鋼等級:
·410:單純的鉻合金材料,不含鎳。它是一種耐腐蝕耐熱的鉻鋼,可淬硬。其易鐓鍛,并有良好的機(jī)械加工性能。由于其硬度較高,主要用于制造自攻自鉆螺釘。與300系列不銹鋼相比,其抗腐蝕能力相當(dāng)差。
·416:除鉻含量略高之外與410材料相似,因此具有更好的機(jī)械加工性能,但抗腐蝕性比410更差。
鐵素體不銹鋼含鉻量12%~18%,但含碳量低于0.2%,有磁性,不能通過熱處理提高硬度,且焊接性能很差。不適用于高腐蝕環(huán)境。
常見鐵素體不銹鋼等級:
·430:比410不銹鋼抗腐蝕性略高。
沉淀硬化不銹鋼
沉淀硬化不銹鋼經(jīng)過低溫時(shí)效處理和冷加工后能硬化。630型,市場上也叫17-4PH,是緊固件產(chǎn)品使用最多的沉淀硬化不銹鋼。他們有相當(dāng)高的抗拉強(qiáng)度和柔韌性。因此其使用性能不管在高溫或低溫下都表現(xiàn)相當(dāng)好。
鎳和高鎳合金
鎳合金家族有一些性能非常出色的合金。很強(qiáng)的機(jī)械性能很強(qiáng)、優(yōu)越的韌性和延展性以及抗應(yīng)力腐蝕性能。他們在高溫及零下低溫均有絕佳的抗腐蝕性能和工作性能。但是鎳基合金的價(jià)格相對較貴。緊固件行業(yè)使用比較廣泛的鎳合金是鎳銅合金和鎳銅鋁合金。鎳銅合金,市場上的商品名叫蒙乃爾合金,蒙乃爾400是冷鐓成形使用最廣泛的鎳銅合金,無論在加熱還是鹽水中表現(xiàn)出非常好的抗腐蝕性。鎳銅鋁合金,在市場上也叫K-MONEL,是鎳銅合金的延伸。鋁和鈦元素在提高了熱處理的靈敏度,并顯著提高機(jī)械性能。
因科鎳合金和哈司特鎳合金:在一些極端惡劣的條件下,例如高溫和不同種類酸性環(huán)境中,這些優(yōu)秀的材料能夠提供緊固件要求的高強(qiáng)度和很強(qiáng)的抗氧化能力。現(xiàn)有的幾種Inconel和Hastelloy鎳合金都是專利保護(hù)的,均按各自的強(qiáng)度和防腐蝕能力命名了商品名。
鋁
鋁意味著重量很輕。鋁材料曾經(jīng)一度被認(rèn)為是昂貴的單一金屬,如今已構(gòu)成了一個(gè)完整的合金家族。鋁能跟其他金屬合成,制造出適用于不同工業(yè)品和民用品的合金。鋁制緊固件重量是鋼制的1/3。純鋁材料的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到13000PSI。常用鋁合金的抗拉強(qiáng)度能達(dá)到低碳鋼的水平。因此,鋁合金緊固件的強(qiáng)度重量比通常優(yōu)于其他任何市場上可見的緊固件材料。鋁沒有磁性,導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能良好。鋁的機(jī)加工性能良好,冷熱成型能力也很好。
硅青銅
硅青銅是多種銅硅合金的通稱。大部分材料的成分是高含量的銅和少量的硅。添加錳和鋁以增加強(qiáng)度。有要求時(shí)可加入鉛提高機(jī)械加工性能。硅青銅有較高抗拉強(qiáng)度(優(yōu)于低碳鋼)。其具有高抗腐蝕能力,并且無磁性,是船舶制造的理想選擇,特別適用于掃雷艦。
銅
銅具有一些相當(dāng)有趣的性能特點(diǎn)。它的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能是所有非貴金屬里面最好的,而且在大部分環(huán)境中具有一定的抗腐蝕性能。銅以及銅合金均無磁性。
黃銅
黃銅是由銅和鋅夠成的,是最普遍使用的銅合金。其保留了純銅的大部分有利性能,并有著其他新的性能,且成本較低。黃銅中銅含量是非常重要的,銅含量少的黃銅更硬強(qiáng)度也更高,但是延展性相對較差。
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