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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)濟效益的螺絲是螺絲製造的要務(wù)，本文從材料的強度、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，無論從事螺絲設(shè)計、製造、品管、測試的工程師，均應(yīng)了解其相關(guān)知識，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。比如螺絲需有高強度及耐荷重，便會考慮鋼材。若需使用於易腐蝕的環(huán)境，便會需要一個保護層，即表面處理。若用於更嚴(yán)苛惡劣的環(huán)境，便會考慮不銹鋼或非鐵金屬之合金。若不需要磁性，便會捨棄傳統(tǒng)鋼材，採用奧斯田鐵不銹鋼或鋁、銅合金。若需要良好導(dǎo)電性，則會考慮鋁或銅。若需要高阻抗性，則會考慮非金屬材料。若需要質(zhì)量輕及強度兼具，則會考慮鈦合金。若需用於高溫或低溫環(huán)境，則會考慮採用不銹鋼或超合金。二、如何選用螺絲材料9螺絲工程師的職責(zé)是評估螺絲的使用範(fàn)圍及將設(shè)計參數(shù)予以量化，擁有這些資料
3、後，如何選用材料便不是問題，並非須仰賴冶金專家不可。通常針對各種材料先執(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。所以設(shè)計工程師並不需要非常熟悉材料、設(shè)備或加工技術(shù)那個最好，大多數(shù)情況是設(shè)計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)濟性，決定選用何種成份的材料。應(yīng)避免對製造者過多限制，賦予製造者較大自主性則製造效率更高。在螺絲設(shè)計及材料選用前應(yīng)先了解螺絲製造的成本，原料費用可能占全部製造費用之30%~80%，目前最廉價的原料是低碳鋼，碳含量增加或添加合金元素時，費用亦
4、增加。中碳鋼及低合金鋼費用明顯較高，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100倍。除非有特別需要，應(yīng)以節(jié)約經(jīng)濟為原則，只要能符合螺絲的性能要求，並不需要太好的材料，否則製造成本過高，反而不符經(jīng)濟效益，以工程師要特別注意選用材料的成本勿超過其性能需求的成本。一、螺絲強度如果強度是設(shè)計唯一考量，則材料選用時非鋼材莫屬，因鋼材最經(jīng)濟及有多用途。低碳鋼螺絲抗拉強度可達60ksi，中碳鋼可達120ksi，低合金鋼可達150ksi以上，有些超合金可達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度。前者可達75~125ksi，後者則為70ksi左右。麻田散鐵不銹鋼可以淬火硬化，其強度經(jīng)熱處理後可高達180ksi。鋁及鋁合金螺絲強度約13~60ksi，銅合金螺絲強度約50~105ksi，鎳合金螺絲強度約70~130ksi，鈦合金螺絲強度約150~200ksi，非金屬螺絲強度則在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成本。所以螺絲設(shè)計時首先應(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。鋼螺絲大多採用鍍金或表面處理以形成保護層，基本上保護層越厚，耐蝕效果越好，如果洛氏硬度大於HRC409時，須注意氫脆問題。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膜，經(jīng)過數(shù)年，保護膜穩(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、層或保護膜還是不夠時，就應(yīng)採用不銹鋼或非鐵金屬之合金材料。四、耐高溫材料材料對溫度有敏感的特性，當(dāng)溫度升高時，材料的強度會降低，超過260℃時除了強度降低外，亦會造成鍍層或保護層破裂、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。需要更高溫度時可使用超合金，例如鎳基超
8、合金A-286及Inconel718耐溫約可達650℃，鎳鈷超合金M252及Waspalloy、Udimet、Rene41
