1000°F工作环境下的不锈钢紧固件

热交换器正常工作温度达1000°F(约283°C)时，用不锈钢制成的螺栓却生锈了!这是为什么呢?原来，在较高温度时，热循环会使某些不锈钢变成非不锈钢．所以选择紧固件材料上一定要慎重，以免发生意外。 不锈钢背景 根据定义，不锈钢含铬量应不小于10.5％，但作者认为，该含量仍低。为防止常温下不锈钢生锈，不锈钢基体含铬量应该在12％左右。 与普遍观点相反，不锈钢不会永远是不锈钢。热循环会使某些不锈钢的含铬量降至使其生锈的水平。但不锈钢种类很多，所以通常可选择其中一种满足特殊用途的不锈钢。 300系列不锈钢 300系列不锈钢也就是我们所知道的18—8钢，是紧固件、接头、管子和管道最常用的材料。304型不锈钢是不锈钢紧固件最普通的材料。18—8钢是300系列不锈钢铬和镍的名义含量．这些材料表面上看有很好的抗腐蚀性能，但将304不锈钢加热到850°F(约199°C)以上，由于碳的沉积作用．会使铬的含量下降。高温度下铬与碳结合形成碳化铬，而碳化铬是不防锈的。采用304L不锈钢可以缓和该问题，304L不锈钢含碳量是304型不锈钢的1／3。用321不锈钢或347不锈钢可以消除碳化铬的形成。321不锈钢和347不锈钢分别含钛和铌，其性质很稳定。由于钛和铌对碳的亲和力比铬大，它们与碳在高温下分别形成碳化钛和碳化铌，因而铬就保留下来。ASTMAl93中300系列不锈钢用于螺栓的有304、321和347不锈钢。 由于300系列不锈钢的强度只有在冷成形时才得到强化，当温度达到1000°F(约283°C)时，热循环会使紧固件强度下降至退火状态。如果强度下降不可接受，那么稳定的材料321或347也不令人满意。故要考虑其他材料。 400系列不锈钢 400系列不锈钢的含铬量比300系列不锈钢低，但没有像300系列有碳沉积问题，而且可热处理，可用于温度高达1200°F(约393℃)的工作环境。但由于含铬只有12％一14％，在有严重化学气氛的环境中使用会腐蚀，而300系列含16％一20％的铬，不会腐蚀。300系列不锈钢与400系列不锈钢在强度上相同。300系列不锈钢无磁性，而400系列不锈钢有磁性。根据ASTMF593规定，400系列不锈钢中410、416和430系列用于紧固件。 镍基材料如lnconel系列(由lnconel国际公司提供)或Haynes系列(由Haynes国际公司)是高温应用的极好材料。这些合金钢中的大部分合金钢含铬至少16％，用于防腐。他们也可热处理。在高温下强度高，当然718合金钢可能是紧固件用得最多的材料，是宇宙飞船中的标准细牙紧固件。还有Monel(约65％镍和33％铜)也用于紧固件，但强度很低。Haynes国际公司将他们的材料取名为Haslelloy或HaynesXX。Inconel和Haynes公司都提供一些相同的紧固件材料如718和X—750。 A—286不锈钢 这是一种航天工业用得最广泛的不锈钢。 它是铁基不锈钢，含铬15％，可热处理，可冷作硬化。无冷作硬化时抗拉强度在140—180ksi，热处理加上冷作硬化可便抗拉强度达到220ksi，但此时的延伸率相对疲劳负荷来说太低。A—286工作温度在-423°C—1200°C，几乎所有的航天工业用紧固件供应商都能提供A一286紧固件。 MP35N和MPl59 SPS技术公司提供的MP35N和MPl59材料是高温和腐蚀性环境下应用的非常好的材料，含铬19％。这些材料即使在航天工业上也算是昂贵的。Waspalloy是这组材料中另一种用于极高温度的材料。只有在无选择的情况下才使用这些材料，这些材料价格既高，又不易得到。 总结 在1000°F(283℃)工作环境下采用304不锈钢是不明智的，如材料强度下降接近退火状态可接受，可选择稳定材料如321或347不锈钢：如强度要求高，而环境腐蚀不是很严重，可采用400系列不锈钢应能满足要求。如300系列和400系列不锈钢都不能解决问题，采用A—286。Inconel，Haynes，MP35N和MPl59都是很好的材料，但成本高．且不易得到。一般设计规则是：必要时才用昂贵的材料以获得令人满意的设计性能。