不锈钢紧固件
摘 要
当紧固件连接面临导致安全可靠方面的诸多因素时，螺栓连接设计可能是一项具有挑战性的任务。如果不对连接处的每个部件给予适当的注意，则不了解这些因素可能是灾难性的。本文将介绍一种在使用不锈钢以及镍基和钴基紧固件时尽量减小摩擦系数波动的方法。
介 绍
螺栓连接是汽车的主要紧固方式，也是导致保修失效的常见原因。典型的车辆会使用4000个左右螺栓。其中一些螺栓松动的可能性有多大？众所周知，紧固件行业中，约90%的安装扭矩会因紧固件头部和螺纹的摩擦而损失。由于这一百分比如此之高，将紧固件性能的任何变化降至最低可能会对连接处产生的夹紧载荷的一致性产生重大影响。表示摩擦的无量纲数通常称为摩擦系数（CoF），其范围从0.04到1.10不等。CoF与夹紧载荷之间的关系用以下公式解释：
T = k*d*F
T = 输入扭矩, k = 扭矩系数 (CoF), d = 公称直径 F = 夹紧力
对于CoF，以0.38到0.42的为例，连接处夹紧力最多可以相差10%。在理想的安装中，可以使用一个复杂的设备来测量每个紧固件上的夹紧力-这可能会很昂贵，而且时间也很有限。此外，这些给定的CoF值是初始值，不考虑粘着磨损（俗称磨损）引起的表面退化。不锈钢材料自生成氧化物表面膜用于腐蚀防护。
在紧固件紧固过程中，随着接触螺纹和滑动螺纹表面之间的压力增大，氧化物保护层被破坏直至全部去掉，可能会在金属高点剪切或锁定在一起。这种累积的堵塞剪切锁定作用会增加粘附力。在极端情况下，磨损会导致咬合————实际上是螺纹间紧紧粘结在一起。
目前使用了几种方法来减少CoF，并伴随着紧固件磨损的风险，但它们确实存在一些缺点。
一种方法是最小化装配速度，以减少由于摩擦而产生的局部热量，但这种方法并不完全起效果，也不一定适用于用于拆装频繁地方。
使用涂料、润滑剂或蜡可以非常有效，但会带来潜在的污染源。润滑剂可能从连接处逸出，涂层有可能从基材上分层。
这在食品、饮料和药品加工以及包装机械的应用中是一个巨大的风险。当存在电解液时，使用不同材料（例如A2-C2、A4-C4或A2-A4级螺栓-螺母组合）会面临电偶腐蚀的风险。
在许多情况下，紧固件被重复使用达到成本节约目的。在某些情况下，使用更特殊的材料，这样重复使用将是一个巨大的成本优势，但这些紧固件连接的地方是如此关键，因此更换紧固件是强制性的预防性维修计划的一部分。
针对上述的常见问题，下面介绍通过名称为Kolsterising?的特殊不锈钢工艺（S 3P），已证明可消除上述有关CoF的问题。
以Kolsterising?技术为主打的特种不锈钢处理（S3P）为奥氏体不锈钢、镍基与钴铬铸造合金提供了一个独一无二的表面硬化解决方案，在不影响材料的抗腐蚀性能的条件提高了其机械性能与耐磨性能。
Kolsterising(S3P)工艺后零件的尺寸不会改变。该工艺中使用的温度仅用于加速扩散过程，但足够低，不会引起任何相变或碳化物沉淀风险，从而对基材的耐腐蚀性造成负面影响。
经过S3P处理后，奥氏体不锈钢零部件提高了其机械性能，在奥氏体不锈钢形成了硬化表层。在所有的S3P处理中，基材的抗腐蚀性并不会改变，但其耐磨性、强度、延展性及抗磨损性能却得到了显著的提高。
和表面扩散处理一样，该表面并不会开裂或断裂，在这一点上明显优胜于涂敷技术。S3P A?与Kolsterising?是奥氏体不锈钢、双相不锈钢及镍基材质的顶尖处理方式。S3P A用于处理马氏体及沉淀硬化不锈钢材料。
二、优势包括：
1、将表面硬度提高至900到1300 HV0.05（具体硬度视基材与表面条件而定）
2、材料与零部件精挑细选并精心设计，具有抗腐蚀性
3、处理后，可为零部件本色，且零部件尺寸稳定性好
4、无需任何后处理
5、无分层风险
6、处理后奥氏体材料的顺磁性不会发生改变
7、无微振磨损或擦伤
8、可抵抗滑行等对表面有高强度磨损的环境，且抗磨蚀及空蚀。
三、应用和材料
1、从精密医疗工具到汽车零部件，S3P处理可用于各种各样的产品。
2、S3P处理可降低食品等生产线上的其它生产设备零部件的生产停机时间，节约成本满足工业液体处理泵、泵及配件的抗擦伤与耐磨要求
3、需保持其抗腐蚀性、抗擦伤、耐磨性能，以及拆卸简便的紧固件应用于要求抗腐蚀、耐磨、使用寿命更长的汽车行业的零部件，以达到节能目的
4、要求提高耐磨性、抗疲劳强度并保持边角坚硬、锋利的医疗器具
5、能保护船用产品抗腐蚀性能的耐磨抗划伤零部件以及紧固件
6、如今很多要求表面坚韧、抗划伤、耐磨的不锈钢消费品
四、所有不锈钢及镍基、钴铬合金均可采用多种S3P处理方式。
以下几种典型的材质应用：
奥氏体不锈钢
AISI 304, 304L, 316, 316L, 904L
马氏体不锈钢
AISI 430, 440
双相不锈钢
UNS S32205, S32750
沉淀硬化不锈钢
PH 17-4, PH 13-8 Mo
镍基合金
Hastelloy? and Inconel?
钴铬合金
BioDur? CCM Plus? alloy
Stellite?
工艺细节
S3P处理是大量碳及/或氮在不生成铬的化合物沉淀的情况下在低温中扩散至表面的处理过程。在处理工程中，没有在处理之前附加入材料中没有的其它化学元素。由于S3P处理并不会在材料上添加涂层或加入脆性相，因此，并无分层现象出现。
最后，与上述常见做法不同的是，紧固件表面没有外来添加剂，因此在半导体和医疗等敏感环境中不存在污染风险。
以下是最近用市面上可买到的F593G六角螺栓和类似的六角螺母进行的测试及其对CoF的影响。
螺栓连接试验结果
各种试验条件和结果的参数见表1。根据未经处理的试验条件S1-S5，确定在表面劣化变得显著变化以致连接磨损并完全卡住之前，可进行最小安装的点。这发生在108 ft.lbs（12.2N.M）（屈服强度的80%）处。
但即使在54 ft.lbs(6.1Nm)（屈服强度的50%）下，也观察到可见的螺纹损伤，该值代表了行业建议的在干燥条件下半英寸-13不锈钢紧固件的安装扭矩。作为参考，碳钢和合金钢紧固件的建议安装扭矩值可以接近屈服强度的75%-80%。对于处理过的紧固件，S6-S8，将108 ft.lbs(12.2Nm)的扭矩设置为起点。使用处理过的螺栓和未处理过的螺母进行了100次安装，没有磨损或螺纹损坏的迹象。
安装扭矩不断增加，最终进入扭矩屈服状态（S8），但仍没有螺纹退化迹象。需要特别强调的一点是，在此测试矩阵中仅对螺栓进行了处理。在将紧固件装配成大型配合部件的情况下，只需对紧固件进行处理就可以实现显著的改进。另一种方法是将螺母与不同长度的相同直径和螺纹螺距的螺栓结合使用。
在图1中可以看到S1和S8的条件的放大比较，它显示了在随后的安装中可能出现的表面退化。使用行业推荐的扭矩值在干燥条件下安装时，可以清楚地看到螺纹表面的负面影响。经过处理的紧固件可以防止这种情况发生，不仅是在推荐的扭矩值下，而且在扭转到屈服条件时也是如此。
虽然完全冷焊连接是最坏的情况，但我们也应考虑表面条件。我们研究了各种类型的紧固件，包括B8M 1级、B8M 2级和Hastelloy?C-276紧固件。在未做这种处理的情况下，观察到随着表面退化，CoF增加，如果使用相同的安装扭矩，连接的夹紧载荷可以显著降低。图2显示了随后加载循环中夹紧力的波动，而图3显示了在相同加载循环中Hastelloy?C-276紧固件转换为CoF的情况。如图所示，处理后的紧固件的性能保持不变，因为该处理工艺防止了磨损和粘着磨损的发生。
结论
众所周知，虽然紧固件可能会出现故障，但通常不会将紧固件确定为问题，但更可能的根本原因是紧固件选择不当或安装不当。寻求实现更一致的夹紧力在使用不锈钢紧固件的地方，使用Kolsterising工艺是一个很好的选择，
此外，由于安全系数可以适当再减小，实际使用过程中可以发挥出超过40%的紧固件潜力。这也可能是一个好的机会，使用较少的紧固件或可能使用较小的紧固件。这两种方法都可以节省紧固件的成本，减少连接中互相配合部件制造过程中的钻孔/攻丝等操作。
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