如何选用螺丝材料.doc

如何選用螺絲材料廖光磊摘要 如何選用適當的材料製造符合性能需求及經濟效益的螺絲是螺絲製造的要務，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與其材料之選用有密切關連，若材料選用不正確或不適當，可能造成預定功能無法發揮，使用壽命降低，或甚至發生意外，或加工困難，製造成本過高等，所以材料的選用非常重要。材料選用前應先熟悉材料的分類、成份、性質、加工性及應用，無論從事螺絲設計、製造、品管、測試的工程師，均應了解其相關知識，以備需要。 螺絲可由許多不同的材料製成，例如金屬或非金屬，只要具有材料性質基本知識如用途及限制者，在選用材料上應不致發生太大困難。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境，便會需要一個保護層，即表面處理。若用於更嚴苛惡劣的環境，便會考慮不銹鋼或非鐵金屬之合金。若不需要磁性，便會捨棄傳統鋼材，採用奧斯田鐵不銹鋼或鋁、銅合金。若需要良好導電性，則會考慮鋁或銅。若需要高阻抗性，則會考慮非金屬材料。若需要質量輕及強度兼具，則會考慮鈦合金。若需用於高溫或低溫環境，則會考慮採用不銹鋼或超合金。二、 如何選用螺絲材料 螺絲工程師的職責是評估螺絲的使用範圍及將設計參數予以量化，擁有這些資料後，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行化學成份分析，只要材料之化學成份正確及製造設備與加工技術適當，要符合品質要求的螺絲不難被製造出來。所以設計工程師並不需要非常熟悉材料、設備或加工技術那個最好，大多數情況是設計工程師訂出螺絲的使用環境及性能需求後，由製造工程師依據完工期限及經濟性，決定選用何種成份的材料。應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。 在螺絲設計及材料選用前應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，應以節約經濟為原則，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。三、 螺絲強度 如果強度是設計唯一考量，則材料選用時非鋼材莫屬，因鋼材最經濟及有多用途。低碳鋼螺絲抗拉強度可達60 ksi，中碳鋼可達120 ksi，低合金鋼可達150 ksi以上，有些超合金可達260 ksi以上，要大於400 ksi以上的螺絲以現代的製造技術亦可達到。 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。經冷加工及應變硬化即可改善其強度。前者可達75125 ksi，後者則為70 ksi左右。麻田散鐵不銹鋼可以淬火硬化，其強度經熱處理後可高達180 ksi。 鋁及鋁合金螺絲強度約1360 ksi，銅合金螺絲強度約50105 ksi，鎳合金螺絲強度約70130 ksi，鈦合金螺絲強度約150200 ksi，非金屬螺絲強度則在10 ksi以下。四、 耐蝕材料 金屬受環境的影響而變質或劣化，一般稱為腐蝕。腐蝕通常是造成螺絲損壞的原因，難以抑制又非常耗費成本。所以螺絲設計時首先應考量使用於何種環境?工程師必須鑑別環境的影響，預測可能的結果及決定最佳的防範措施。腐蝕產生的原因不只是環境的影響，還應考慮電流作用、高溫氧化及應力腐蝕脆化等。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HRC 40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，經過數年，保護膜穩定後耐蝕性更高。但在更惡劣的環境如海洋、煉製廠、造紙工廠或化學工廠等，僅是依靠鍍層或保護膜還是不夠時，就應採用不銹鋼或非鐵金屬之合金材料。五、 耐高溫材料 材料對溫度有敏感的特性，當溫度升高時，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以下的環境，ASTM A193規範中所敘述的AISI 4100、8600及8700系列之不銹鋼及合金鋼螺絲可使用在230480範圍，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，例如鎳基超合金A-286及Inconel 718耐溫約可達650，鎳鈷超合金M252及Waspalloy、Udimet、Rene 41等耐溫約可達870，超過870時則需使用鈷、鉬、鈦或鎢等高合金含量的難熔金屬，如鎢基超合金耐溫可高達1650以上。 對鍍層而言，傳統的鎘鍍層只耐溫230，超過230後便會開始熔解。鎳鍍層較適用於耐高溫及耐腐蝕，銀鍍層可耐溫480750，更高溫時任何鍍層皆難能完好存在，據經驗顯示能耐溫480以上之鍍層並不多。六、 耐低溫材料 大部份的金屬螺絲在溫度降至零下35時仍可維持正常功能，但只是一段時間而已，若長期曝露於0以下的環境，例如北極地區則會發生影響。通常溫度下降時，金屬材料之抗拉強度、降伏強度及抗剪強度會增加，但衝擊強度、延展性及韌性會降低，例如碳鋼就不適於低溫的用途。 ASTM A320所敘述的一些合金可用於耐低溫，如AISI 4140、 4037、 4040、 8740適用於-73以上不是太過低溫的環境，奧斯田鐵不銹鋼18-8系列可耐-150低溫。上述這些鎳鉻鋼長時間處於極低溫的環境下，其抗拉強度及衝擊強度不會有明顯變化，但仍需注意。其他材料如2000系列鋁合金、一些鈦合金、銅合金甚至非金屬類的鐵弗龍亦有不錯之耐低溫性能。 航太工業上為了液體燃料推進器的控制及裝填，已開發出可耐溫-120-230的螺絲，但是其開發及測試過程非常艱難且耗費巨額成本，因為要分別研究每一種可能使用的合金，而且也難以完整預測如此低溫狀況下的性能。目前經驗證過的耐極低溫超合金包括Inconel 718, Unitemp 212, A-286, Rene 41及Waspalloy，值得注意的是它們同時具有耐極低溫及耐極高溫的特性，SAE J467中有一些超合金的介紹，值得參考。七、 碳鋼螺絲 90%以上的螺絲使用碳鋼製造，因為其加工性良好，易獲得各種強度且材料便宜。碳鋼螺絲的強度等級超過100種，大多為特殊用途，工程上一般所應用到的等級並不多。碳鋼螺絲的強度等級分為低碳鋼(含碳量<0.3%)、中碳鋼(含碳量0.30.6%)及合金鋼等三類，合金鋼又分低合金鋼(合金元素含量<8%)及高合金鋼(合金元素含量>8%)，高碳鋼(含碳量>0.6%)因強度高不易加工，故不適合製造螺絲。目前最為業界採用的是SAE J429的螺絲分級系統，從低碳鋼1級到合金鋼8級共有10級，其中較重要的級數亦在ASTM規範中加以引用，如A307、A449、A325、A354及A490等。ISO 898/I所敘述的公制碳鋼螺絲的分級系統與SAE J429非常相似，ASTM F568則是ISO 898/I的翻版，敘述北美地區常用螺絲的分級。 低碳鋼螺絲常用的材料化學成份為AISI 1006、1008、1016、1018、1021及1022，此類螺絲相當於SAE 1級、ASTM A307 A級、ASTM F568 4.6級，具有良好的加工性，可經由冷加工改善強度，亦可施以表面硬化及焊接。A307 B級用於管件及凸緣，除了增加一個抗拉強度上限外，其他特性與A307A級相同。設定抗拉強度上限的目的是當螺絲過度鎖緊時，可在鑄鐵製成的凸緣斷裂前先損壞，如此便可保護較昂貴的管線、閥門或幫浦。 中碳鋼螺絲可經由熱處理而明顯增高其抗拉強度，常用材料的化學成份為AISI 1030、1035、1038及1541，此類材料具有良好的加工性，但是當碳含量增高時，加工難度亦變高，因為加工用之刀、模具容易磨損，壽命降低。所以通常材料加工前會先正常化或球化處理，使強度降低，易於車削。例如含碳量0.5%以下者經退火及正常化可使波來鐵分佈較均勻，而改善車削性。含碳量0.5%以上者，可施以球化處理，亦可改善車削性。 螺絲經熱處理的強度與螺絲的尺寸大小有直接關係，當螺絲的化學成份相同及熱處理方式亦相同，其尺寸增大時，強度反而降低，比如SAE 5級及ASTM A449的英制螺絲強度，尺寸大者比尺寸小者為低。但是ISO 8.8及9.8級公制螺絲卻不完全如此，9.8級16 mm以下的螺絲強度較高，可是8.8級尺寸較大的螺絲強度反而較高。使用中碳鋼即可製造出8.8級24 mm的螺絲強度，若24 mm以上時則通常需要使用合金鋼，例如10.9級，且經熱處理後的強度會更理想。 經熱處理之中碳鋼螺絲以每單位成本計算所得的抗拉強度比其他金屬要高，而以每單位抗拉強度計算所得的降伏強度則最低，表示有優良的延展性，最能同時兼顧材料成本、製造便利性及機械性質，所以這就是為何SAE 5級、ASTM A449、ASTM A325、F568 8.8及9.8級等成為目前最常用螺絲強度級數的原因。 當碳鋼中的錳含量大於1.65%，矽含量大於0.6%，銅含量大於0.6%或鉻含量小於4%(若大於4%則接近不銹鋼)，或含有很微量的鋁、銅、硼、鈷、鉬、鎳、鈦、釩、鋯等或其他添加元素以產生一定的影響，此時便稱為合金鋼。常用的合金鋼成份是AISI 1335(錳鋼)、4037(鉬鋼)、4140(鉻鉬鋼)、4340(鎳鉻鉬鋼)、8637(鎳鉻鉬鋼)及8740(鎳鉻鉬鋼)，只要了解其機械性能便知為何被如此廣泛採用。八、 合金元素對機械性質的影響 碳鋼中添加錳可增加強度及硬化能，但錳含量過高時，延展性及焊接性變差。銅含量大於0.2%時可增加耐蝕性，鎳可增加低溫時之強度及韌性，即增加低溫之衝擊值，亦可增加耐蝕性。鉻可增加硬化能、耐磨性及耐蝕性，亦可增加高溫時之強度。鉬可增加高溫抗拉強度及潛變強度，亦可降低回火脆性。硼可增加硬化能，於低碳鋼熱處理時添加硼對機械性質改善更為顯著。碳鋼中添加兩種以上之合金元素，不僅各元素性質兼具，其主要效能為增加硬化能，即增加淬火後的硬化層深度。 硼鋼是一種低碳麻田散鐵鋼，由於低含碳量，成型性佳，在衝螺絲頭前不需先退火，故可延長刀模具壽命。常用的是10B18、10B21及10B22，具有高硬化能足以符合SAE 8級需求，含碳量略高者如10B30用於更高強度。硼鋼可謂相當實用，已可替代中碳熱處理鋼，但也並非全無缺點，因回火溫度較低，故溫度上升時之應力鬆弛性質較差，而且螺絲製造廠必須嚴格控制熱處理，因誤差比其他有較多合金元素的熱處理鋼大。 耐候鋼含有銅、錳、鎳、鉻等元素，這種鋼材製成的螺絲大量使用於結構工程，例如橋樑、建築及鐵塔等，因具有良好的耐蝕性，不需要表面處理，其化學成份屬於專利範圍，故大多以商業命名。 SAE 8級、ASTM A354 BD級、A490及F568 10.9級為高強度合金鋼螺絲，其機械性質相當。SAE 5.2級、8.2級、ASTM A325 2型及A490 2型為硼鋼，已被認可為8.8、9.8及10.9級的替代品，A325 3型及A490 3型即為耐候鋼螺絲。九、 不銹鋼螺絲 鐵合金之鉻含量大於12%時稱為不銹鋼，因鉻是非腐蝕元素，所以不銹鋼具有良好的耐蝕性，鉻含量越高，耐蝕性越好。所有的不銹鋼除了有鐵、鉻成份外皆含有碳，碳可增加硬化能，但對耐蝕性有不良影響，因鉻與碳會形成碳化物，碳化物部份之鉻，無抗氧化之效用。當碳含量增加時，鉻含量也需增加，否則耐蝕性會變差，因此大多數的不銹鋼碳含量都很低，碳含量必須嚴加控制。除此之外，所有的不銹鋼還含有其他合金元素，各元素皆有其特性，例如鎳就是其中最重要的元素，可明顯改善耐蝕性、低溫脆性與高溫強度。另外如鉬、銅、矽、鋁、硒、硫、鉭、鈷、鈦等都是重要的合金元素，可對其成份加以控制及調配以獲得所需的機械性質。 不銹鋼之所以不易生銹是金屬表面會自然成一個不可見的氧化薄膜，可防止繼續氧化。螺絲加工過程如鍛頭及車削時，可能表面會被加工之刀模具產生的微小金屬粒子污染，若有後續之熱處理亦有污染可能。假若螺絲製造完成後未清洗即逕付使用，則外表看似生銹模樣，並非基材金屬發生腐蝕，其實是埋入表面的雜質或不純物生銹造成。所以不銹鋼螺絲在交運前均須實施酸洗，即浸於硝酸溶液中，取出後再水洗，表面會迅速形成氧化膜，且污染物質皆已清除。 不銹鋼分為奧斯田鐵、肥粒鐵、麻田散鐵及析出硬化鋼等四類，各類各有其優劣點。奧斯田鐵不銹鋼之用途最廣，約80%的不銹鋼螺絲皆由其製造，其顯微組織以奧斯田鐵為主，以鉻與鎳為主要合金元素，只要冷作(常溫加工)後即可改善其機械性質。常用含量為鉻18%，鎳8%稱為18-8或300系列，耐蝕性比肥粒鐵及麻田散鐵不銹鋼佳且不具磁性，在極低溫或溫度升高時皆有高強度及良好韌性。奧斯田鐵不銹鋼包括303、303 Se、304、305、384、XM7、316、321及347。 303及303 Se(17/19%鉻、8/10%鎳)易於熱鍛，冷衝頭不太適合，常用作大尺寸螺帽加工。304(18/20%鉻、8/10.5%鎳、0.08%以下碳)適於冷熱衝頭，耐蝕性佳，常用以製造大尺寸熱加工螺絲。305(17/19%鉻、10.5/13%鎳)可降低加工硬化速率，易於冷衝頭及成型。384(15/17%鉻、17/19%鎳、0.08%以下碳)專用作冷鍛螺帽及十字凹槽螺絲加工，因鎳含量高，可降低加工硬化速率。384冷作後仍無磁性，但其他奧斯田鐵不銹鋼冷作後多少都會帶點磁性，必須退火以恢復非磁性。XM7(17/19%鉻、8/10%鎳、3/4%銅)是302改良而來，冷鍛及成型性更佳，比305、384成本低廉。316(16/18%鉻、10/14%鎳、2/3%鉬、0.08%以下碳)，因含有鉬故耐蝕性極佳，比其他奧斯田鐵不銹鋼在升高溫度時仍有高抗拉強度及潛變強度。321(17/19%鉻、9/12%鎳)及347(17/19%銅、9/13%鎳)為安定型不銹鋼，於溫度高達820時仍有良好耐蝕性，故專用以製造航太工業或使用於高溫或化學物質污染環境的螺絲。 肥粒鐵不銹鋼顯微組織以肥粒鐵為主，約占不銹鋼螺絲的5%，僅以鉻為主要合金元素，具有磁性，耐蝕性比麻田散鐵佳。其他元素含量甚少，此種不銹鋼以耐銹耐蝕為其特長。全用430(14/18%鉻、0.12%以下碳)製造螺絲，因易於冷衝頭及熱鍛，430F中添加硫可增進車削性。若考慮經濟性、材料成本及耐蝕性，宜選擇肥粒鐵不銹鋼製造螺絲。肥粒鐵及奧斯田鐵不銹鋼皆不能淬火硬化，只要施以冷作即可改善其強度及硬度，但延展性變差，所以通常再施以退火以除去其殘留應力，恢復延展性。 麻田散鐵不銹鋼顯微組織為麻田散鐵，約占不銹鋼螺絲的10%，以鉻為主要合金元素，具有磁性，可以淬火硬化以得到最高機械性質，與SAE 5級、8級、ASTM A449級、A354 BD級近似。但耐蝕性比奧斯田鐵及肥粒鐵不銹鋼差，常用400系列材質製造螺絲，如410、416、416 Se及431。 410(12.5/13.5%鉻、0.15%以下碳)強度與SAE 5級或A449相近，經熱處理後可再提高強度，易於冷衝頭及熱鍛，因鉻含量低，故在所有不銹鋼中最便宜。假如SAE 5級鍍鋅或鍍鎘螺絲耐蝕性不足時可以410替代。 416及416 Se(12/14%鉻、0.15%以下碳、加硫或砷)，車削性可能是所有不銹鋼中最佳者，機械性質與410相同。431(15/17%鉻、1.25/2.5%鎳、0.2%以下碳)常用以製造航太螺絲，因強度高，耐蝕性佳，易於冷成型及熱衝頭，機械性質不亞於SAE 8級及ASTM A354 BD級。 析出硬化鋼螺絲占不銹鋼螺絲的5%，用途已越來越受重視，具有可與奧斯田鐵媲美之耐蝕性及與麻田散鐵相當的高強度。例如630(15.5/17.5%鉻、3/5%鎳、0.07%以下碳，0.15/0.45%鈳加鉭)亦稱17-4PH是最常用以製造螺絲的析出硬化鋼，除有高強度外，延展性亦佳，且可耐高、低溫。十、 結論本文主要介紹工業上常用的碳鋼螺絲材料的成份及機械性質，其他如鋁合金、銅合金、鎳合金、鈦合金或超合金等亦皆有其不同特性與用途。然而不論何種螺絲材料，都可參考金屬材料相關書籍、金屬材料使用手冊、金屬熱處理、金屬表面處理或各規格協會出版之規範，依據需要蒐集資料，及加以詳細分析比較，必可對螺絲材料的選用有實質的幫助。誌謝 承蒙漢翔公司許元全工程師、中鋼公司陳竹勝工程師、光陽機車曾仁傑工程師提供資料，及中科院蕭俊誠博士惠予審核，使本文得以順利完成，特申謝忱。參考資料1. 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