如何選用螺絲材料

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1、如何選用螺絲材料廖光磊摘要如何選用適當(dāng)?shù)牟牧涎u造符合性能需求及經(jīng)濟(jì)效益的螺絲是螺絲製造的要?jiǎng)?wù)，本文從材料的強(qiáng)度、耐蝕、耐溫及成份等逐一分析討論，以供選用參考。一、前言螺絲的性能需求依使用目的之不同有明顯差異，而螺絲的性能能否展現(xiàn)與其材料之選用有密切關(guān)連，若材料選用不正確或不適當(dāng)，可能造成預(yù)定功能無(wú)法發(fā)揮，使用壽命降低，或甚至發(fā)生意外，或加工困難，製造成本過(guò)高等，所以材料的選用非常重要。材料選用前應(yīng)先熟悉材料的分類、成份、性質(zhì)、加工性及應(yīng)用，無(wú)論從事螺絲設(shè)計(jì)、製造、品管、測(cè)試的工程師，均應(yīng)了解其相關(guān)知識(shí)，以備需要。螺絲可由許多不同的材料製成，例如金屬

2、或非金屬，只要具有材料性質(zhì)基本知識(shí)如用途及限制者，在選用材料上應(yīng)不致發(fā)生太大困難。比如螺絲需有高強(qiáng)度及耐荷重，便會(huì)考慮鋼材。若需使用於易腐蝕的環(huán)境，便會(huì)需要一個(gè)保護(hù)層，即表面處理。若用於更嚴(yán)苛惡劣的環(huán)境，便會(huì)考慮不銹鋼或非鐵金屬之合金。若不需要磁性，便會(huì)捨棄傳統(tǒng)鋼材，採(cǎi)用奧斯田鐵不銹鋼或鋁、銅合金。若需要良好導(dǎo)電性，則會(huì)考慮鋁或銅。若需要高阻抗性，則會(huì)考慮非金屬材料。若需要質(zhì)量輕及強(qiáng)度兼具，則會(huì)考慮鈦合金。若需用於高溫或低溫環(huán)境，則會(huì)考慮採(cǎi)用不銹鋼或超合金。二、如何選用螺絲材料9螺絲工程師的職責(zé)是評(píng)估螺絲的使用範(fàn)圍及將設(shè)計(jì)參數(shù)予以量化，擁有這些資料

3、後，如何選用材料便不是問(wèn)題，並非須仰賴冶金專家不可。通常針對(duì)各種材料先執(zhí)行化學(xué)成份分析，只要材料之化學(xué)成份正確及製造設(shè)備與加工技術(shù)適當(dāng)，要符合品質(zhì)要求的螺絲不難被製造出來(lái)。所以設(shè)計(jì)工程師並不需要非常熟悉材料、設(shè)備或加工技術(shù)那個(gè)最好，大多數(shù)情況是設(shè)計(jì)工程師訂出螺絲的使用環(huán)境及性能需求後，由製造工程師依據(jù)完工期限及經(jīng)濟(jì)性，決定選用何種成份的材料。應(yīng)避免對(duì)製造者過(guò)多限制，賦予製造者較大自主性則製造效率更高。在螺絲設(shè)計(jì)及材料選用前應(yīng)先了解螺絲製造的成本，原料費(fèi)用可能占全部製造費(fèi)用之30%~80%，目前最廉價(jià)的原料是低碳鋼，碳含量增加或添加合金元素時(shí)，費(fèi)用亦

4、增加。中碳鋼及低合金鋼費(fèi)用明顯較高，不銹鋼為中碳鋼2.5倍以上，銅合金為其5倍，鋁合金為其6倍，鈦合金則75倍，超耐高溫及低溫合金可高達(dá)100倍。除非有特別需要，應(yīng)以節(jié)約經(jīng)濟(jì)為原則，只要能符合螺絲的性能要求，並不需要太好的材料，否則製造成本過(guò)高，反而不符經(jīng)濟(jì)效益，以工程師要特別注意選用材料的成本勿超過(guò)其性能需求的成本。一、螺絲強(qiáng)度如果強(qiáng)度是設(shè)計(jì)唯一考量，則材料選用時(shí)非鋼材莫屬，因鋼材最經(jīng)濟(jì)及有多用途。低碳鋼螺絲抗拉強(qiáng)度可達(dá)60ksi，中碳鋼可達(dá)120ksi，低合金鋼可達(dá)150ksi以上，有些超合金可達(dá)260ksi以上，要大於400ksi以上的螺絲以

5、現(xiàn)代的製造技術(shù)亦可達(dá)到。不銹鋼螺絲主要有奧斯田鐵、肥粒鐵及麻田散鐵等三類，其強(qiáng)度明顯不同。奧斯田鐵不銹鋼及肥粒鐵不銹鋼皆不能淬火硬化，退火為其唯一熱處理。經(jīng)冷加工及應(yīng)變硬化即可改善其強(qiáng)度。前者可達(dá)75~125ksi，後者則為70ksi左右。麻田散鐵不銹鋼可以淬火硬化，其強(qiáng)度經(jīng)熱處理後可高達(dá)180ksi。鋁及鋁合金螺絲強(qiáng)度約13~60ksi，銅合金螺絲強(qiáng)度約50~105ksi，鎳合金螺絲強(qiáng)度約70~130ksi，鈦合金螺絲強(qiáng)度約150~200ksi，非金屬螺絲強(qiáng)度則在10ksi以下。四、耐蝕材料金屬受環(huán)境的影響而變質(zhì)或劣化，一般稱為腐蝕。腐蝕通常是造

6、成螺絲損壞的原因，難以抑制又非常耗費(fèi)成本。所以螺絲設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)考量使用於何種環(huán)境?工程師必須鑑別環(huán)境的影響，預(yù)測(cè)可能的結(jié)果及決定最佳的防範(fàn)措施。腐蝕產(chǎn)生的原因不只是環(huán)境的影響，還應(yīng)考慮電流作用、高溫氧化及應(yīng)力腐蝕脆化等。鋼螺絲大多採(cǎi)用鍍金或表面處理以形成保護(hù)層，基本上保護(hù)層越厚，耐蝕效果越好，如果洛氏硬度大於HRC409時(shí)，須注意氫脆問(wèn)題。目前廣泛使用於建築工程之耐候鋼就具有優(yōu)良的耐蝕能力，它是一種低合金鋼，含有高量銅成份可在金屬表面形成抗氧化保護(hù)膜，經(jīng)過(guò)數(shù)年，保護(hù)膜穩(wěn)定後耐蝕性更高。但在更惡劣的環(huán)境如海洋、煉製廠、造紙工廠或化學(xué)工廠等，僅是依靠鍍

7、層或保護(hù)膜還是不夠時(shí)，就應(yīng)採(cǎi)用不銹鋼或非鐵金屬之合金材料。四、耐高溫材料材料對(duì)溫度有敏感的特性，當(dāng)溫度升高時(shí)，材料的強(qiáng)度會(huì)降低，超過(guò)260℃時(shí)除了強(qiáng)度降低外，亦會(huì)造成鍍層或保護(hù)層破裂、高溫氧化或腐蝕。通常非金屬材料禁止使用於高溫，非鐵金屬材料也很少，金屬材料的使用範(fàn)圍則可從中碳鋼到超合金。一般商售等級(jí)的中碳鋼及合金鋼螺絲可使用在230℃以下的環(huán)境，ASTMA193規(guī)範(fàn)中所敘述的AISI4100、8600及8700系列之不銹鋼及合金鋼螺絲可使用在230~480℃範(fàn)圍，此材料製成的螺絲一般用於壓力容器、閥門及凸緣。需要更高溫度時(shí)可使用超合金，例如鎳基超

8、合金A-286及Inconel718耐溫約可達(dá)650℃，鎳鈷超合金M252及Waspalloy、Udimet、Rene41