耐蚀、耐热环境如何选用不锈钢连接件（螺栓、螺钉）
2004-04-01 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
1、前言
本文阐述了螺栓、螺钉在腐蚀环境、高温环境下使用时的对策。
所用的螺栓、螺钉的材质在耐蚀与耐热对策方面多有类似之处，但因环境不同，其措施和注意点也有所不同。
2、耐蚀对策
螺栓暴露在腐蚀环境下需要注意以下现象：
●腐蚀造成的损耗
●缝隙腐蚀造成的损耗
●螺纹处及头部的应力腐蚀裂纹
●在高强度下加速的延迟断裂
●因接触不同材质造成的电蚀
●因微弱的杂散电流造成的电化学腐蚀
2.1防腐措施及材质选定
采用置换电极等电化学的防蚀对策，防蚀的各种涂料以及表面处理与耐蚀性优异的材质。在管理及可信度方面，如果材质与使用环境相适应，会使防蚀管理简单化。
图1表示材料在耐蚀性、强度方面的定位结果及材料成分。
如果用湿润试验，评价标准的办公室和家庭环境，就会发现这样的环境适用于SUS410等马氏体不锈钢。
在室内使用也需要高可靠性时或在室外环境，结合所需强度，由低至高可使用铁素体系、奥氏体系、沉淀硬化型不锈钢。以SUS430为代表的铁素体系不锈钢，因其具有适度的成形性与耐蚀性，可用作汽车等的螺栓。
最一般的奥氏体系不锈钢依耐蚀性不同，可分别使用SUS304和SUS316。螺栓头部需进行冷加工成型时，通常可使用在SUS304中加铜，以提高其冷加工性SUSXM7。
需要更高强度时，可使用沉淀硬化型不锈钢SUS630。在固溶化处理后，如施以最大时效即可获得1000MPa以上的抗拉强度，但无韧性时，由于包括延迟断裂在内、应力腐蚀裂纹敏感性增强，通常采用过时效方式处理。特别是现在正在寻求适用于建筑结构用的10t高强度螺栓。
在海水环境下也可能使用的材料有超级不锈钢、耐蚀镍合金、钛合金。为了提高耐蚀性、超级不锈钢具有含氮、钼多的特征，它包括铁素体系的SUS447J1、奥氏体系的SUS836L和近年开发的DSN9。在有强度要求的情况下，也有使用铁素体、奥氏体双相不锈钢的。
对钢材如有能长期使用、可信度高的要求，则可使用耐蚀镍合金-Inconl625、纯钛或Ti-6Al-4V合金。无论是超级不锈钢、耐蚀镍合金还是钛合金，如作为普通螺栓、螺钉的材料，都要在考虑其特殊情况、要求、加工性、费用的基础上加以选定。
最近，可在海水环境长期使用的超高氮超级不锈钢作为国家项目正在开发中，希望可以适用于生产螺栓、螺钉。
另外，为普及加工性差的Ti-6Al-4V，研究了使零件成型的中温锻造、螺纹滚轧和仅用塑性加工进行成型的方式，成功地生产出六角有眼承接螺栓。
2.2其他注意事项
对于缝隙腐蚀，可以选择与上述腐蚀情况大致相同的村质。但是，如果设计允许，最好密封缝隙，去除腐蚀环境。与不同材料接触时，可将树脂等夹在中间以绝缘。
关于应力腐蚀裂纹，先对加在螺栓、螺钉各部位的应力包括缺口进行评价，再采取对应措施。在按JIS规定进行的氯化镁应力腐蚀裂纹试验中，在8%-10%Ni的范围敏感性强，SUS304等需引起注意。
这样，因腐蚀环境、应力、材质的组合不同，应力腐蚀裂纹敏感性也不同，所以重要构件的连接应事先进行评估。
关于延迟断裂，由于奥氏体系经冷加工处理后会产生加工诱发马氏体（带有磁铁），因敏感性高，所以应注意其强度级。另外，须研究避免使用环境产生、进入氢。
螺栓头部的十字槽和六角槽会有水溶液残留、停留、其在干燥过程浓化，成为孔蚀发生的原因，应尽可能采取防水、防污对策。
3、耐热对策
在高温下使用螺栓应注意以下问题：
●微小的塑性变形会引起应力衰减（螺栓松动）
●与连接构件的热膨胀差导致紧固力降低
●使用中因高温腐蚀造成的损耗
●反复加热冷却会造成热疲劳断裂
●长期使用会使材质恶化
在高温腐蚀条件下，材质的选择与耐蚀对策相类似，但应特别注意高温强度。
图2是耐热材料的定位图
SUS410等马氏体系耐热钢因相变点的原因，使用界限为500-600℃。在此温度以上可使用SUS310等奥氏体系耐热钢或SUH660、X750等超耐热合金。这些材料长期使用晶界就会析出铬碳化物，铬浓度降低（敏化），生成称为σ相的脆化相貌时会产生晶界的局部腐蚀或裂纹。为获得低碳化、高氮化等成分平衡，需要选择材质。将热膨胀系数小的铁素体材料用热膨胀系数大的奥氏体系的螺栓连接时，需要补加热膨胀差再紧固螺栓，作为螺栓材质需要选择在室温、高温两种情况下均具有高强度的材质。最近正在开发到700℃仍可维持低膨胀的合金，希望将来能实用化。
4、结语
为了应对不断变化的耐蚀、耐热环境，准确把握使用环境并进行事前评价非常重要，并且要很好地运用专家的知识。
本文阐述了螺栓、螺钉在腐蚀环境、高温环境下使用时的对策。
所用的螺栓、螺钉的材质在耐蚀与耐热对策方面多有类似之处，但因环境不同，其措施和注意点也有所不同。
2、耐蚀对策
螺栓暴露在腐蚀环境下需要注意以下现象：
●腐蚀造成的损耗
●缝隙腐蚀造成的损耗
●螺纹处及头部的应力腐蚀裂纹
●在高强度下加速的延迟断裂
●因接触不同材质造成的电蚀
●因微弱的杂散电流造成的电化学腐蚀
2.1防腐措施及材质选定
采用置换电极等电化学的防蚀对策，防蚀的各种涂料以及表面处理与耐蚀性优异的材质。在管理及可信度方面，如果材质与使用环境相适应，会使防蚀管理简单化。
图1表示材料在耐蚀性、强度方面的定位结果及材料成分。
如果用湿润试验，评价标准的办公室和家庭环境，就会发现这样的环境适用于SUS410等马氏体不锈钢。
在室内使用也需要高可靠性时或在室外环境，结合所需强度，由低至高可使用铁素体系、奥氏体系、沉淀硬化型不锈钢。以SUS430为代表的铁素体系不锈钢，因其具有适度的成形性与耐蚀性，可用作汽车等的螺栓。
最一般的奥氏体系不锈钢依耐蚀性不同，可分别使用SUS304和SUS316。螺栓头部需进行冷加工成型时，通常可使用在SUS304中加铜，以提高其冷加工性SUSXM7。
需要更高强度时，可使用沉淀硬化型不锈钢SUS630。在固溶化处理后，如施以最大时效即可获得1000MPa以上的抗拉强度，但无韧性时，由于包括延迟断裂在内、应力腐蚀裂纹敏感性增强，通常采用过时效方式处理。特别是现在正在寻求适用于建筑结构用的10t高强度螺栓。
在海水环境下也可能使用的材料有超级不锈钢、耐蚀镍合金、钛合金。为了提高耐蚀性、超级不锈钢具有含氮、钼多的特征，它包括铁素体系的SUS447J1、奥氏体系的SUS836L和近年开发的DSN9。在有强度要求的情况下，也有使用铁素体、奥氏体双相不锈钢的。
对钢材如有能长期使用、可信度高的要求，则可使用耐蚀镍合金-Inconl625、纯钛或Ti-6Al-4V合金。无论是超级不锈钢、耐蚀镍合金还是钛合金，如作为普通螺栓、螺钉的材料，都要在考虑其特殊情况、要求、加工性、费用的基础上加以选定。
最近，可在海水环境长期使用的超高氮超级不锈钢作为国家项目正在开发中，希望可以适用于生产螺栓、螺钉。
另外，为普及加工性差的Ti-6Al-4V，研究了使零件成型的中温锻造、螺纹滚轧和仅用塑性加工进行成型的方式，成功地生产出六角有眼承接螺栓。
2.2其他注意事项
对于缝隙腐蚀，可以选择与上述腐蚀情况大致相同的村质。但是，如果设计允许，最好密封缝隙，去除腐蚀环境。与不同材料接触时，可将树脂等夹在中间以绝缘。
关于应力腐蚀裂纹，先对加在螺栓、螺钉各部位的应力包括缺口进行评价，再采取对应措施。在按JIS规定进行的氯化镁应力腐蚀裂纹试验中，在8%-10%Ni的范围敏感性强，SUS304等需引起注意。
这样，因腐蚀环境、应力、材质的组合不同，应力腐蚀裂纹敏感性也不同，所以重要构件的连接应事先进行评估。
关于延迟断裂，由于奥氏体系经冷加工处理后会产生加工诱发马氏体（带有磁铁），因敏感性高，所以应注意其强度级。另外，须研究避免使用环境产生、进入氢。
螺栓头部的十字槽和六角槽会有水溶液残留、停留、其在干燥过程浓化，成为孔蚀发生的原因，应尽可能采取防水、防污对策。
3、耐热对策
在高温下使用螺栓应注意以下问题：
●微小的塑性变形会引起应力衰减（螺栓松动）
●与连接构件的热膨胀差导致紧固力降低
●使用中因高温腐蚀造成的损耗
●反复加热冷却会造成热疲劳断裂
●长期使用会使材质恶化
在高温腐蚀条件下，材质的选择与耐蚀对策相类似，但应特别注意高温强度。
图2是耐热材料的定位图
SUS410等马氏体系耐热钢因相变点的原因，使用界限为500-600℃。在此温度以上可使用SUS310等奥氏体系耐热钢或SUH660、X750等超耐热合金。这些材料长期使用晶界就会析出铬碳化物，铬浓度降低（敏化），生成称为σ相的脆化相貌时会产生晶界的局部腐蚀或裂纹。为获得低碳化、高氮化等成分平衡，需要选择材质。将热膨胀系数小的铁素体材料用热膨胀系数大的奥氏体系的螺栓连接时，需要补加热膨胀差再紧固螺栓，作为螺栓材质需要选择在室温、高温两种情况下均具有高强度的材质。最近正在开发到700℃仍可维持低膨胀的合金，希望将来能实用化。
4、结语
为了应对不断变化的耐蚀、耐热环境，准确把握使用环境并进行事前评价非常重要，并且要很好地运用专家的知识。
