Śruby ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości | Rozciąganie, korozja

Wytrzymałość na rozciąganie – klasy właściwości, stopnie i wydajność w świecie rzeczywistym

Wytrzymałość na rozciąganie śrub ze stali nierdzewnej jest określona przez klasy właściwości (podobnie jak w przypadku stali węglowych 8.8, 10.9, 12.9), ale z inną numeracją. Poniżej znajduje się kompleksowe porównanie wytrzymałości na rozciąganie różnych gatunków stali nierdzewnej w oparciu o normę ISO 3506-1 (właściwości mechaniczne elementów złącznych ze stali nierdzewnej odpornych na korozję).

Zrozumienie klas właściwości śrub nierdzewnych. W przeciwieństwie do śrub ze stali węglowej oznaczonych jako 8.8, 10.9 (gdzie pierwsza liczba to 1/100 wytrzymałości na rozciąganie w MPa), w przypadku śrub nierdzewnych stosuje się jedno- lub dwucyfrową klasę właściwości: klasa 50 (min. rozciąganie 500 MPa), klasa 70 (700 MPa), klasa 80 (800 MPa). Klasa 100 (1000 MPa) jest dostępna dla gatunków utwardzanych wydzieleniowo. Klasa właściwości jest wybita na łbie śruby (np. A2-70 dla stali nierdzewnej 304, klasa 70; A4-80 dla stali nierdzewnej 316, klasa 80). W przypadku zastosowań o dużej wytrzymałości należy określić A4-80 (316, 800 MPa) lub wyższy. Nigdy nie zakładaj, że wszystkie śruby ze stali nierdzewnej mają wysoką wytrzymałość – standard A2-50 (304,500 MPa) ma tylko 60–70 procent wytrzymałości śruby ze stali węglowej klasy 8.8 (800 MPa).

Obróbka na zimno zwiększa wytrzymałość bez obróbki cieplnej. Austenityczne stale nierdzewne (304, 316) nie mogą być poddawane obróbce cieplnej w celu wzmocnienia. Jednakże obróbka na zimno (walcowanie gwintów, formowanie łba i ciągnienie drutu) zwiększa wytrzymałość na rozciąganie. Śruba wykonana z drutu hartowanego na zimno może osiągnąć klasę 80 (800 MPa) w porównaniu z klasą 50-70 dla drutu nieobrabianego na zimno. Do zastosowań wymagających ciśnienia powyżej 800 MPa konieczne są gatunki martenzytyczne lub utwardzane wydzieleniowo. Jednakże gatunki te mają niższą odporność na korozję (patrz rozdział 2).

Rzeczywiste wymagania dotyczące rozciągania według zastosowania:

• Lekkie obciążenia (meble, elektronika, płyta gipsowo-kartonowa): 400-500 MPa – A2-50 (304, klasa 50) wystarczające.
• Budownictwo ogólne (poręcze, wsporniki konstrukcyjne, tarasy zewnętrzne): 600-800 MPa – zalecany A2-70 lub A4-70 (700 MPa).
• Sprzęt morski, kołnierze zakładów chemicznych, wysokie wibracje: 800-1000 MPa – A4-80 (316, 800 MPa) lub martenzytyczny 410/431 (900-1000 MPa) z powłoką antykorozyjną.
• Przemysł lotniczy, ciężki sprzęt, energia nuklearna: 1000-1200 MPa – 17-4 PH (630) lub duplex 2205.

Przykład przypadku: W projekcie budowy doku przybrzeżnego do połączeń poręczy wykorzystano śruby A2-70 (304, 700 MPa). Po 18 miesiącach 30 procent wykazało korozję szczelinową u nasady gwintu (patrz część 2), wymagającą wymiany. W zamienniku zastosowano śruby A4-80 (316, 800 MPa) z powłoką PTFE. Po 4 latach zero korozji i brak pogorszenia wytrzymałości – pomimo tej samej klasy rozciągania, doskonała odporność stopu 316 na wżery okazała się krytyczna w środowisku morskim.

Odporność na korozję – porównanie gatunków austenitycznych, martenzytycznych i duplex

Odporność na korozję stali nierdzewnej wynika z pasywnej warstwy tlenku chromu. Jednakże różne pierwiastki stopowe (chrom, nikiel, molibden, azot) znacząco wpływają na odporność na wżery, korozję szczelinową i pękanie korozyjne naprężeniowe. Poniżej znajduje się szczegółowe porównanie oparte na standardowych testach i wynikach w terenie.

Kluczowym miernikiem jest PREN (ang. Pitting Resistance Equivalent Number). PREN = %Cr 3,3 x %Mo 16 x %N. Wyższy PREN oznacza lepszą odporność na wżery w środowisku chlorkowym. 304 (PREN 18-20) nadaje się do użytku wewnątrz i na obszarach wiejskich. 316 (PREN 24-26) dodaje 2-3 procent molibdenu, znacznie poprawiając odporność na wżery. Do morskich stref rozbryzgowych lub basenów (wysoka zawartość chloru) zaleca się PREN powyżej 32 – duplex 2205 lub gatunki superaustenityczne (904L, 254SMO). Do zastosowań morskich w zanurzeniu wymagany jest PREN powyżej 40 (specjalne gatunki, które nie są powszechne w standardowych produktach śrubowych).

Gatunki martenzytyczne (410, 420, 431) mają niższą odporność na korozję. Ponieważ te gatunki mają niższą zawartość chromu (12–14 procent w porównaniu z 18 procent w przypadku stali 304) i niewiele lub wcale niklu i molibdenu, ich PREN wynosi 14–18 – podobnie jak stal nierdzewna 430. Będą rdzewieć w środowisku zewnętrznym, szczególnie w pobliżu wybrzeży lub w atmosferze przemysłowej. Jeśli do zastosowań zewnętrznych wymagana jest wysoka wytrzymałość (1000-1200 MPa), śruba martenzytyczna musi zostać pokryta powłoką (cynkowanie, Dacromet lub PTFE). Niepowlekane śruby 410 wykazują czerwoną rdzę w ciągu 50–150 godzin w teście mgły solnej, co odpowiada 2–6 tygodniom ekspozycji na wybrzeżu. Do użytku morskiego nigdy nie wybieraj martenzytu bez powłoki.

Szczególne ryzyko korozji elementów złącznych: Śruby są szczególnie podatne na korozję szczelinową i galwaniczną. Korozja szczelinowa występuje w dolinach gwintów, gdzie zawartość tlenu jest niska. Materiał 316 jest znacznie bardziej odporny niż 304, ale nawet 316 może ulec korozji szczelinowej, jeśli będzie montowany w stojącej wodzie morskiej przez wiele miesięcy. Korozja galwaniczna występuje, gdy stal nierdzewna styka się z mniej szlachetnym metalem (aluminium, stal węglowa) w elektrolicie (słona woda). Stal nierdzewna pełni rolę katody, przyspieszając korozję drugiego metalu. Rozwiązania: zaizoluj za pomocą nylonowych podkładek, użyj kompatybilnych materiałów lub nałóż uszczelniacz, aby zapobiec przedostawaniu się elektrolitu.

Odporność na korozję w środowisku:

• Wewnątrz, sucho (biura, domy, HVAC): Wszelkie prace ze stali nierdzewnej (minimum 304). Korozja nie stanowi problemu.
• Na zewnątrz, w głębi lądu (nie przybrzeżne, niskie zanieczyszczenie): 304 akceptowalne przez 10-20 lat. 316 zalecany do dłuższej żywotności lub konstrukcji krytycznych.
• Outdoor, przybrzeżne (w promieniu 5 km od oceanu): Minimum 316. 304 pokaże rdzę w ciągu 2-5 lat. Duplex zalecany do bezpośredniej mgły solnej.
• Morskie (łodzie, doki, zanurzone): Duplex 2205 lub 316 z grubą powłoką. Sam 316 spowoduje korozję szczelinową na gwintach w ciągu 3-7 lat ciągłego zanurzenia.
• Zakłady chemiczne, baseny, ścieki: 316 lub wyższy. 304 szybko ulega awarii w środowisku chloru (wżery w ciągu kilku miesięcy).
• Przetwórstwo spożywcze, medyczne: 316 (dla odporności na korozję pod wpływem środków czyszczących i kwasów) lub 304 (dla mniej agresywnych środowisk).

Dla Śruby ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości stosowane w wymagających środowiskach, optymalny wybór równoważy wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję. W przypadku wysokiej wytrzymałości (800 MPa) ORAZ dobrej odporności na korozję, opcje są ograniczone: najpopularniejszy jest A4-80 (316, obrabiany na zimno do 800 MPa). W przypadku ciśnień 1000 MPa i odporności na korozję porównywalnej z 316 wymagany jest duplex 2205 lub 17-4 PH (630), ale oba są znacznie droższe i mają mniejszą dostępność. Do większości zastosowań przemysłowych wymagających zarówno wysokiej wytrzymałości, jak i odporności na korozję, A4-80 (316, klasa 80) zapewnia najlepszą wartość, oferując wytrzymałość na rozciąganie 800 MPa i doskonałą odporność na wżery (PREN 24-26).

Praktyczna matryca doboru – dopasowanie wkrętów do wymagań aplikacji

W oparciu o powyższe dane skorzystaj z tych ram, aby wybrać odpowiednie Śruby ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości dla Twoich konkretnych potrzeb.

The Śruby ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości rynek wymaga starannego doboru stopu – wytrzymałość na rozciąganie i odporność na korozję często idą w parze. Gatunki austenityczne (304, 316) zapewniają najlepszą odporność na korozję, ale niższą wytrzymałość (maks. 800 MPa). Gatunki martenzytyczne i PH oferują wyższą wytrzymałość (1000-1200 MPa), ale niższą odporność na korozję, co wymaga powłok do zastosowań zewnętrznych. Do najbardziej wymagających zastosowań (budownictwo przybrzeżne, zakłady chemiczne, przetwórstwo spożywcze) A4-80 (316, klasa 80) zapewnia optymalną równowagę: wytrzymałość na rozciąganie 800 MPa i odporność na korozję PREN 24-26. W ekstremalnych warunkach (ciągłe zanurzenie w wodzie morskiej, chemikalia o wysokiej zawartości chlorków) należy zastosować stal typu duplex (PREN 32-38) pomimo 2-3-krotnej wyższej ceny. Zawsze żądaj raportów z testów materiałowych (MTR) w przypadku zastosowań krytycznych – sprawdź zarówno wyniki próby rozciągania (ISO 3506-1), jak i odporność na wżery (ASTM G48 do badania chlorku żelaza). Przy odpowiednim doborze gatunku i specyfikacji powłoki, śruby ze stali nierdzewnej o wysokiej wytrzymałości zapewniają 20-50 lat bezobsługowej pracy.