不锈钢螺丝,由不锈钢制成的紧固件;或称不锈钢螺栓、不锈钢螺钉等,这里是一种国内语境化的称呼,并不特指仅限外螺纹的紧固件,而是包含各种头型、螺纹类型甚至内螺纹的紧固件,严格来说,此处应称为“不锈钢紧固件”,出于习惯仍称为不锈钢螺丝。
中文名 不锈钢螺丝 |
性能 耐酸性,耐腐蚀 |
原材料
304,316,304L... |
英文名
stainless steel screw |
通用性
标准化,通用,常用 |
加工性
冷墩 |
应用领域 船舶、航空、机械、环保、能源... |
不锈钢螺丝是由不锈钢材料制成的紧固件,主要成分是铁、铬、镍等合金元素。其中,铬能形成致密的氧化膜,防止螺丝表面进一步氧化,起到防锈作用;镍的添加则提高不锈钢螺丝的耐腐蚀性能、强度和硬度。不锈钢螺丝具有耐腐蚀、耐一定高温、耐磨损等优点,广泛应用于电器、能源、建筑、汽车、航空航天等领域。其高强度、耐久性和美观外观使其成为实用的紧固件,能提供可靠的连接和固定效果。
作为紧固件属性,不锈钢螺丝从标准上几乎含盖了所有标准件,包含国标与国际常用标准。遍历所有标准号的篇幅较大,以下仅为常用的类型与标准分类:
类型 | 头型 | 标准 | |||
国标 | 德标、欧标 | 美标 | 日标、其它 | ||
螺栓类 | 六角头螺栓 | GB5783全牙 GB5782半牙 |
DIN933全牙 DIN931半牙 |
ANSIB18.2.1 | JISB1180 |
圆头方颈螺栓 | GB12小头 | DIN603大头 | ANSIB18.5 | ||
六角法兰面螺栓 | GB5787 GB5789 |
DIN251内六角带齿 | |||
螺钉类 | 内六角螺钉 | GB70.1 | DIN912、DIN7984薄头 DIN7991沉头、ISO7380盘头 |
ASME B18.3 | |
紧定螺钉 | DIN916、DIN913 DIN914、 DIN915 |
ASME B18.3 | |||
十字槽机螺钉 | GB818盘头、GB819沉头 GB820半沉头、GB823小盘头 GB29.2六角凹穴、GB822圆柱头 |
DIN967 DIN965 DIN7985 |
ANSI B18.6.3P盘头 ANSI B18.6.3F沉头 |
JISB1111T大扁头 | |
一字槽机螺钉 | GB65圆柱头、GB67盘头 GB68沉头 |
||||
梅花槽机螺钉 | GB2672盘头、GB2672-AT带柱 GB2673沉头、GB2673沉头带柱 |
ISO7380盘头带柱 | |||
自攻螺钉 | GB845、GB846、GB847 | ||||
组合类 | GB9074.4、GB9074.17 | 螺母类 | 六角螺母 | GB6170、GB6172、GB52 | DIN934、DIN439薄型 |
ANSIB18.2.2 | JISB1181 |
四方螺母 | DIN557、DIN928 | 卡式螺母 | |||
圆螺母 | GB806、GB809 GB812、GB810 |
||||
锁紧螺母 | GB6187.1 | DIN985、DIN982 DIN980M、DIN980V |
|||
法兰面 | DIN6923 DIN6926 |
||||
垫圈类 | 平垫 | GB97.1、GB96.1、GB848 | DIN125、DIN127、DIN9021 | JISB1251 |
不锈钢紧固件最常用的材料为SUS304及SUS316,以及在此基础的上微量元素变化延伸,如304L,316L等,它以及们的材料成分分别如下
牌号 | C | Si | Mn | P | S | Ni | Cr | Mo |
SUS304 (304) |
0.08%以下 | 1.00%以下 | 2.00%以下 | 0.045%以下 | 0.030%以下 | 8.00%~ 10.50% |
18.00%~ 20.00% |
|
SUS316 (316) |
0.08%以下 | 1.00%以下 | 2.00%以下 | 0.045%以下 | 0.030%以下 | 10.00%~ 14.00% |
16.00%~ 18.00% |
2.00%~ 3.00% |
标准来源:
SUS304、SUS316来自日标JIS G4303,请参考JIS G4303-2005.pdf标准中的第4页。
304、316来自美标ASTM A959,请参考ASTM A959-2016.pdf标准中的第3、4页。
值得一提的是,304/316,前面是否带SUS(SUS304/US316),是来自两种不同标准的不同牌号,在日常交流习惯中,一般不太特意区分两者的差别,必竟两者成分几乎一样。当我们说304不锈钢,它可能代表日标的SUS304,也可能代表美标的304,事实上由于两者成分含量还是有微小差别的(请自行对比上面两个PDF文档),在重要场合如图纸标注还是需要严格区别。
与之对应的,中国标准对标SUS304的牌号是 0Cr18Ni9或06Cr18Ni10,标准来自GB/T20878-2007.pdf标准中的第6页序号17,或GB/T1220-2007.pdf标准中的第8页序号17
不常用不锈钢螺丝使用材料:
牌号 | 碳(C) | 锰(Mn) | 硅(Si) | 磷(P) | 硫(S) | 镍(Ni) | 铬(Cr) | 钼(Mo) |
SUS304L | ≤0.03 | ≤2.00 | ≤1.0 | ≤0.045 | ≤0.03 | 9.00-13.0 | 18.0-20.0 | |
SUS316L | ≤0.03 | ≤2.00 | ≤0.75 | ≤0.045 | ≤0.03 | 10.0-14.0 | 16.0-18.0 | 2.0-3.0 |
材料本身的力学性能(在未制成螺丝之前的线材):
牌号 | 抗拉强度 N/mm2抗拉强度(Tensile Strength)是指材料在拉伸过程中能够承受的最大应力。它表示材料在受拉力作用下的最大抵抗能力。抗拉强度通常以N/mm²或MPa(兆帕)为单位表示。抗拉强度越高,表示材料在受拉力作用下能够承受更多。
(Min) |
屈服强度N/mm2 屈服强度(Yield Strength)是指材料在拉伸过程中开始发生塑性变形的临界点,即材料开始产生可见的塑性变形时的应力值。屈服强度通常以N/mm²或MPa为单位表示。屈服强度是材料在拉伸过程中最初发生塑性变形的应力值,表示材料开
(Min) |
延伸率延伸率(Elongation)是指材料在拉伸过程中发生塑性变形后的延伸程度,即材料能够承受的拉伸变形量的百分比。单位为百分比(%)。延伸率越大,表示材料在受力时能够发生更大的塑性变形。
(Min) |
收缩率收缩率(Reduction of Area)是指材料在拉伸过程中断裂前的横截面收缩程度,即材料在受力时横截面的收缩量的百分比。单位为百分比(%)。收缩率越大,表示材料在受力时横截面的收缩程度越大 (Min) |
硬度 (Max) |
SUS304 | 205 | 520 | 40% | 50% | HV200 |
SUS316 | 205 | 650 | 35% | 40% | HV200 |
SUS304L | 175 | 480 | 40% | 60% | HV200 |
SUS316L | 175 | 480 | 40% | 60% | HV200 |
与碳钢类紧固件性能等级采用最小屈服强度进行描述的方式(如4.8级、8.8级)不同,不锈钢紧固件等级采用“钢组(可以理解为材质)+性能等级(即最小抗拉强度)”进行描述。以上标准中组别的分类有多种,仅奥氏体的分类从A1到A5共5种,性能等等级从45到110共6种,但是实际的生产活动中,大部情况下,不锈钢紧固件所参考的性能等级有如下四种:
材质 | 级别等级 | 适用 |
SUS304 | A2-50 | 常用机螺钉、自攻螺钉、M5以下及M27-M39螺栓 |
A2-70 | M24以下螺栓螺母、螺母 | |
SUS316 | A4-70 | M24以下螺栓 |
A4-80 | M24以下螺栓、螺母 |
上表中A2指的是Austenite(奥氏体)这一类型不锈钢的第2种组别,A4是第4组别。很显然奥氏体(Austenite)不锈钢不仅包含A2 A4这两种组别——其实一共有5种组别:从A1到A5——它们的成分与用途略有不同,但是作为紧固件生产只应用了到了A2 A4两种材料。简言之,A2≈304不锈钢,A4≈316不锈钢。
50 70 80代表最小抗拉强度,分别对应500MPa 700MPa 800MPa(MPa即N/mm2);同理还有其它一些参数如45 60 110这些参数几乎不使用。
A2-50 A2-70 A4-70 A4-80这4种等级的不锈钢螺丝机械性能:
类别 | 性能等级 | 螺纹直径 | 抗拉强度Mpa | 屈服强度Mpa | 断后伸长量 min | 保证应力 SP |
A2 | 50 | ≤39 | 500 | 210 | 0.6d | 500 |
A2 A4 | 70 | ≤24 | 700 | 450 | 0.4d | 700 |
A4 | 80 | ≤24 | 800 | 600 | 0.3d | 800 |
破坏扭矩。304(A2-50 A2-70,316(A4-70 A4-80)螺丝的破坏扭矩:
螺纹 | 性能等级 | ||
A2-50 | A2(A4)-70 | A4-80 | |
破坏扭矩 | |||
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 |
综上,可以通过如下方式描述某一规格的不锈钢紧固件:
A2-70 GB5783 M6*16 (性能等级+标准+螺纹规格)
或:304 GB6170 M6 (材质+标准+螺纹规格)
304,316不锈钢紧固件在高温下,抗拉强度会逐渐降低,这是由于高温会导致晶格变形和晶界扩散,从而减弱材料的结构强度;但延展性随着温度的升高会增加;高温下不锈钢塑性变形能力增强,可以更容易地发生塑性变形,这也是不钢紧固件(尤其螺母及较大规格螺栓)成型前需要预加热的原因;温度升高的情况下,紧固件硬度也会相应下降,这是因为高温会导致材料的晶格结构变得不规则,从而降低了材料的硬度;蠕变,在长时间高温与受力环境下,304 316不锈钢会表现出蠕变现象,材料会随时间的推移发生不可逆的塑性变形。同时,疲劳寿命会显著降低。
以上性能上的变化是线性的,因检测方法存在困难,目前尚无相关机构给出各温度条件下的力学性能参考标准,但从目前的经验看:
1,不超过300°C是相对安全的使用区间。
2,在受力情况下长时间暴露于400°C以上高温,不锈钢紧固件将发生不可逆的性能转变
3,温度越高,对于不锈钢紧固件的规格选型需采用更保守的冗余设计。
4,316在高温下的综合表现会略优于304。
5,另跟据GB/T3098.6-2014标准第22页规定,不锈钢304及316产品在100℃以内不影响抗拉,但超过100℃后温度每升高100℃,屈服强度降低百分之5,在超过400℃后不建议使用。
304、316紧固件在低温下表现出与高温相反的力学现像,包含抗拉强度增加,延展性降低,塑性变形能力降低等,其主要风险是脆性增加有断裂的风险。目前相关无经验,但一般认为-100°C为其安全临界点。
但GB/T3098.6-2014提及A2紧固件-200°C以上可持续工作 A4紧固件为-60°C/-200°C,无验证经验,此处存疑。
总结:304 316不锈钢紧固的相对安全温度区间-100°C~300°C,且需考充分虑在非常温条件下的设计冗余。
304 316系列不锈钢螺丝一般表面处理是酸洗后钝化,最终其表面为不锈钢本色。304系列在中性盐雾测试中不少于48H,316系列是在中性盐雾测试中不少于72H。
304 316系列不锈钢螺丝一般不做热处理。即使热处理,也不能使螺丝变硬,而是变软,比如固熔处理。固熔处理的目的是提高螺丝的耐腐蚀性能、提高塑性和韧性、消磁,相应的,抗拉强度、表面硬度将明显降低,一般应用于被锁件有明显形变场景如阀门管道连接。
在合理的选用设计与安装条件下,不锈钢螺丝发生断裂,可能的原因分析。
只有基于标准化学成分的材料才能称之304(或316)不锈钢,这一标准规范是满足其材料所制成的不锈钢螺丝具有GB3098.6,GB3098.15等标准中力学性能的必要条件之一。但一个不可否认的事实是,一些管控不规范原料厂商所生产的线材,的确存在成分超标现象,这是导致不锈钢紧固件异常断裂的主要原因之一,以304为例:
碳。 碳含碳量越高,不锈钢的强度和硬度就越高、相应塑性和韧性越低。碳在铬镍奥氏体中的固溶度极小,当碳含量偏高时,碳与晶界附近的铬易生成(Cr,Fe)23C6 碳化物,使晶界附近的基体贫铬,造成此区域化学稳定性降低,贫铬区易产生晶间腐蚀,失效螺栓中的铬含量低,更消弱了材料抗晶间腐蚀能力,腐蚀沿晶界发展,形成了沿晶裂纹,在应力及大气室外、海运、湿度等环境中形成应力腐蚀开裂,形成的裂纹均为沿晶裂纹。
硫。有害物质。硫含量超标降低了不锈刚的韧性,也可能导致硫化物(如MnS)集中处产生裂纹 ,并逐步扩展直至碎裂。当然硫的添加可以改善不锈钢的切削加工性能这是另一回事
磷。同上,有害杂质,降低不锈钢的韧性和塑性。
(PS,既然硫和磷都是有害物质,为什么不锈钢中还要加入这两种元素?那是没有办法,在不锈钢治炼中,废钢铁总是或多或少含这两种元素,所以在材料成分标准中只规定了它们的上限。)
锰。脱氧、脱硫添加剂。可增加不锈钢的强度。但如果含量(远)超2%,将导致热敏性和热脆性
硅Si,提高了抗氧化性和耐高温性。但过高的硅含量会导致焊接裂纹和热脆性
磷P:是304不锈钢的杂质元素,提高了强度和硬度,但降低了塑性和韧性。磷还会降低304不锈钢的耐腐蚀性和焊接性,因此,304不锈钢的磷含量应控制在0.045%以下
氮N:是304不锈钢的合金元素,提高了强度和抗点蚀性能。但过高的氮含量会导致老化脆化和焊接裂纹,因此,304不锈钢的氮含量一般控制在0.1%以下
铬Cr和镍Ni是304不锈钢的两种主要合金元素,铬和镍含量不足甚至不能称之为奥氏体锈钢,强度也就无从谈起了。
螺纹紧固件松动后,可能会将产生的较大的、不易预估的动能,螺栓其受力方向变得紊乱,尤其在振动环境中的,一段时间的振动最终将使螺栓断裂或脱落。
锁死会误导工人以为没拧到位,遂强力将螺栓拧断
不锈钢螺丝锁死,也称为咬死。在一定条件下,是一种常见现象。所谓一定条件指的是:
电动气动工具安速安装。(意味着快速产生大量的不易分散的热量)
不锈钢螺栓匹配不锈钢锁紧螺母如DIN985,DIN980。(意味着螺纹间增强的压力、摩擦力,产生大量的热量)
法兰盘安装。(意味可能的倾斜安装)
大副超出标准的扭力安装等等。
这是由于不锈钢材质的如下特点导致的:
1,延展性高。以304为例断后伸长率62%,几乎是10B21的两倍多。
2,导热率系数低,常见不锈钢导热系数约为16~17W/(m·K),与之参考相对应的碳钢导热系数约55/(m·K),铜更高384/(m·K)。
3,硬度低。304 316表面硬度约为HV200+
以上属性使得在拧紧螺丝的过程中,牙纹间产生的压力、摩擦力最初会轻微破坏其表面的氧化铬层,进而导致牙纹之间发生阻塞或剪切,产生大量的热量,进而形成大面积粘黏,最终导致锁死,这几乎是一个恶性循环的过程。
1,毫无疑问,低速的拧紧是立杆见影的解决方案。但这有悖于企业对于生产效率的诉求。如何在生产效率与合格率之间选择合理的平衡点,需企业自身综合凭估。
2,适当的润滑剂或导热油。润滑剂大副降低螺纹间的摩擦力减少发热;而导热油不仅有润滑作用还有散热作用,导热油是终级解决方案,在导热油的条件下,可以无视安装速度,但缺点是“油呼呼”的。
3,出厂前对螺丝表面进行涂层处理(如浸腊)可较大幅度降低锁死机率。
4,当然,合理的的选型设计与扭力参数、正规的安装方法也是必要的。
更多信息:不锈钢螺丝锁死为什么(304 316)不锈钢中大部分的元素是铁,却表现出非磁性?而制作成螺丝却又有弱磁?这要从原子磁性和排列组合说起。
金属在宏观上是否表现出磁性取决于如下两个必要条件:
(金属)磁性的本质是电子自旋,电子自旋产生磁矩,而磁矩的集合在宏观观上并代表磁矩的累积,也有可能是磁矩的抵消,关键在于原子结构中是否存在未成对的电子。
大部分的金属元素,其原子通常有完全填充电子层结构,它们具有成对(自旋方向向上和向下的一对)的电子,这些成对的电子产生的磁矩会相互抵消,金属就不会在宏观上表现出磁性。
少部分金属并不具备完全填充的电子层结构,以铁为例:常温下铁原子有26个电子,其中24个电子成对填充在原子核外壳层中,处于最外层的2个电子自旋方向并不成对。可以粗暴的比方为,一个班上本来大家都是男生女生一对对的,边上却多了两个光棍。在外磁场的作用下,就这俩光棍自旋方向开始定向,产生微小磁矩,众多磁微小矩的集合在宏观表现为可观察到的磁性,这类金属有铁、钴、镍,以及见元素周期表中的绿色部分。
常见的金属晶体结构分为三种:
面心立方结构(FCC):在FCC结构中,金属原子位于一个立方晶胞的每个顶点和每个面的中心。这种结构最常见于金、银、铜等金属。它大概长这样:
在面心立方结构结构结构中,晶体中的每个原子都被包围在六个相邻原子的中心,同时每个面上都有一个原子,这些相邻原子的磁矩方向相互平衡(也可以理解为内耗了吧),导致整体晶体没有净磁矩。当然,如果人为变化其结构(注意这是重点备注1),或晶体中存在杂质,导至其对称性发生变化,那么晶体将具有磁性。
体心立方结构(BCC):在BCC结构中,金属原子位于一个立方晶胞的每个顶点和一个位于晶胞中心的原子。这种结构常见于铁、钠等金属。它大概长这样:
上图可以看出,原子位于立方体的顶点和中心两个不同的位置。这两种不同的原子位置使得晶体的结构不对称。如果该晶体中的原子属于磁性金属系列中的某一种或几种,那该晶体在宏现上将表现出磁性。
密堆积结构(HCP):在HCP结构中,金属原子以六边形密堆积的方式排列。这种结构常见于钛、镁等金属,它大概长这样:
上图可以看出,在HCP结构中,每个原子周围有最大的对称性,因为它们被排列成六边形最密堆积,HCP结甚至比FCC更具有对称性。当然,这跟不锈钢没什么关系了。
终上,可以看出,如果仅从晶体结构上比较,FCC HCP是无磁的,BCC(在一定条件下)是有磁的。
还是以纯铁为例,常温下纯铁是BCC晶体结构,当纯铁温度升高到912℃时,晶体结构由BCC转变成FCC结构(这一现像称之为相变),如前所述,FCC结构各原子的磁矩相互抵消,这时铁会失去磁性;处于912℃~1838℃(熔点)的铁由于具备FCC晶体结构,可称之为奥低体(当然奥氏体的定义是铁碳合金,严格来说,此时的纯铁需要加点碳才算奥氏体,这不是重点,略)
当铁的温度降到912℃以下,它的晶体结构又变回BCC结构。也就开始变得有磁性。
但是,注意我要说但是了,如果在铁中加入一定比例的镍和铬(就好比如304或316那样的成分比例),再将该铁镍铬合金的温度降到912℃以下,神奇的一幕出现了,它的结构仍然保持FCC结构,并没有变回BCC结构,继续降到常温,结构仍然没有变化。而这,正是304、316等不锈钢没有磁性的原因,也是304 316等不锈钢(在常温下)被称作奥氏体的原因。
(PS,一个有趣的现象是,如果该合金的温度继续往下降,只要温度足够低(比如-200℃以下),它终究还是会回到BCC晶体结构,这时可称之为马氏体,也就变得有明显磁性。由于日常并不会碰到这种低温,所以我们直接说304、316属于奥氏体或说 304、316不锈没有磁性,这虽不严谨但也合情)
回到主题。以上说的是304 316等奥氏体不锈钢在常温下没有磁性的原因。那为何用磁铁去吸附不锈钢螺丝为什么又有会弱磁性呢,如上所述的重点备注1,在人为变化其结构(冷墩工艺将线材强束成一颗螺丝就是典型的人为变化其结构)的条件下,其晶体结格变得不是那么对称,甚至至局部的结构被硬挤成马氏体,那它就会产生一定磁性——尽管在宏观上很弱。由于只是晶体结的变化而化学成份并没有发生变化,因此它仍然属于304或316,故也不能凭磁性判定某种材料是不是不锈钢。
我司可提供消磁的不锈钢紧固件,如有需要请另行咨询。
紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱: GB/T3098.6-2023.pdf
马氏体和铁素体钢螺母的机械性能指标:GB/T3098.15-2023.pdf
不锈钢化学成分(国标):GB/T20878-2007.pdf
不锈钢棒(国标):GB/T1220-2007.pdf
不锈钢化学成分(日标):JIS G4303-2005.pdf
不锈钢化学成分(美标):ASTM A959-2016.pdf