Các loại bu lông bằng thép không gỉ: Hợp kim, Giải thích về tiêu chuẩn ISO 3506, ASTM

Chọn sai loại bu lông thép không gỉ là một trong những lỗi phổ biến nhất - và tốn kém nhất - trong thông số kỹ thuật của dây buộc. Một bu lông trông giống hệt bu lông đúng có thể bị ăn mòn trong vòng vài tháng trong môi trường biển, bị kẹt vĩnh viễn trong quá trình lắp đặt hoặc bị hỏng khi chịu tải trong ứng dụng nhiệt độ cao. Lý do là "cấp độ bu lông thép không gỉ" thực sự đề cập đến hai kích thước riêng biệt mà cả hai đều phải phù hợp với ứng dụng: lớp hợp kim (thành phần hóa học của thép quyết định khả năng chống ăn mòn và hiệu suất nhiệt độ) và lớp sức mạnh (các tính chất cơ lý sau khi chế tạo quyết định khả năng chịu lực). Hiểu cả hai - và cách các tiêu chuẩn quốc tế xác định chúng - là nền tảng của thông số kỹ thuật dây buộc đáng tin cậy.

Tại sao cấp độ thép không gỉ lại quan trọng đối với bu lông

Ốc vít bằng thép không gỉ được chọn chủ yếu vì khả năng chống ăn mòn chứ không phải độ bền thô của chúng. Các bu lông bằng thép carbon có cùng đường kính thường sẽ có độ bền kéo tốt hơn thép không gỉ, nhưng chúng bị ăn mòn nhanh chóng trong môi trường ẩm ướt, hóa chất hoặc biển. Thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn từ crom: hàm lượng crom tối thiểu 10,5% tạo thành một lớp oxit crom mỏng, tự sửa chữa trên bề mặt, làm thụ động kim loại chống lại quá trình oxy hóa. Không giống như lớp phủ hoặc sơn kẽm, lớp thụ động này nằm bên trong vật liệu - việc gãi bu lông trong quá trình lắp đặt không làm mất nó.

Tuy nhiên, không phải tất cả thép không gỉ đều hoạt động như nhau trong mọi môi trường. Một bu lông được chỉ định là "thép không gỉ" mà không có cấp độ xác định là thông số kỹ thuật không đầy đủ. Sự khác biệt giữa bu lông 304 và bu lông 316 có thể không nhìn thấy được bằng mắt, nhưng trong môi trường ven biển hoặc ngoài khơi giàu clorua, một bu lông sẽ tồn tại hàng thập kỷ trong khi bu lông kia bị ăn mòn trong vòng nhiều năm. Tương tự, hai bu lông có cùng loại hợp kim - chẳng hạn như cả 316 - có thể có độ bền kéo khác nhau từ 30% trở lên tùy thuộc vào chỉ định cấp độ bền của chúng.

Ba gia đình thép không gỉ

Thép không gỉ không phải là một vật liệu đơn lẻ mà là một họ hợp kim sắt-crom có đặc tính cấu trúc vi mô - được xác định bởi các nguyên tố hợp kim và xử lý nhiệt - xác định các đặc tính cơ học và ăn mòn của chúng. Đối với bu lông, ba họ đều có liên quan.

Đối với phần lớn các ứng dụng buộc chặt công nghiệp, hàng hải, xây dựng và hóa chất, thép không gỉ austenit là sự lựa chọn tiêu chuẩn . Sự kết hợp giữa khả năng chống ăn mòn, khả năng hàn và đặc tính chế tạo của nó khiến nó trở thành dòng sản phẩm thống trị trong sản xuất dây buộc toàn cầu. Các loại Martensitic được sử dụng khi cần độ cứng cao và nhu cầu ăn mòn vừa phải - chẳng hạn như vít dao kéo hoặc các ứng dụng dụng cụ nhất định. Các loại ferrit hiếm khi được chỉ định cho bu lông kết cấu do khả năng chống ăn mòn thấp hơn và độ bền hạn chế.

Các lớp hợp kim bu lông thép không gỉ phổ biến

Trong họ austenit, một số loại hợp kim cụ thể chiếm ưu thế trong sản xuất dây buộc. Mỗi loại thể hiện sự cân bằng riêng biệt về khả năng chống ăn mòn, độ bền, chi phí và khả năng gia công.

Lớp 304 / 18-8

Lớp 304 là loại thép không gỉ được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và là hợp kim tiêu chuẩn cho các loại ốc vít đa năng. Thành phần của nó - khoảng 18% crom và 8% niken - là nguồn gốc của ký hiệu "18-8" vẫn được sử dụng rộng rãi ở thị trường Bắc Mỹ. Lớp 304 có khả năng chống ăn mòn tốt trong hầu hết các môi trường khí quyển, nước ngọt và hóa chất nhẹ. Nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, thiết bị chế biến thực phẩm, phần cứng kiến ​​trúc và trang trí ô tô. Hạn chế của nó là độ nhạy với môi trường giàu clorua: trong khí quyển biển, nước mặn hoặc tiếp xúc với muối làm tan băng, hiện tượng ăn mòn rỗ và kẽ hở có thể phát triển theo thời gian. Hệ mét ISO tương đương là A2.

Lớp 316/316L

Lớp 316 bổ sung thêm 2–3% molypden vào thành phần 304, làm tăng đáng kể khả năng chống rỗ clorua và ăn mòn kẽ hở. Đây là bản nâng cấp mang tính quyết định khiến 316 trở thành thép không gỉ tiêu chuẩn "hàng hải". Nó được chỉ định cho các nền tảng ngoài khơi, công trình ven biển, xử lý hóa chất, thiết bị dược phẩm và bất kỳ môi trường nào liên quan đến clorua, axit hoặc hóa chất khử. Lớp 316L là biến thể có hàm lượng carbon thấp (tối đa 0,03% carbon so với 0,08% trong tiêu chuẩn 316) giúp giảm nguy cơ nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt trong các cụm hàn. ISO tương đương với hệ mét là A4.

Lớp 303

Lớp 303 is a free-machining variant of 304, with sulfur or selenium added to improve machinability and chip breakage during high-speed CNC turning. This makes it popular for precision-machined fasteners and screw machine products. The trade-off is slightly reduced corrosion resistance compared to 304, particularly in weld zones. Grade 303 should not be used where continuous immersion or aggressive chemical exposure is expected.

Lớp 310S

Lớp 310S contains approximately 25% chromium and 20% nickel, giving it exceptional oxidation resistance at elevated temperatures — up to 1,100°C for intermittent service. It is specified for high-temperature bolting in furnaces, kilns, heat treatment equipment, and exhaust systems where standard austenitic grades would rapidly oxidize or lose strength.

Lớp song công 2205

Thép không gỉ song - được đặt tên như vậy vì cấu trúc vi mô của nó chứa tỷ lệ austenite và ferit xấp xỉ bằng nhau - mang lại độ bền kéo gần gấp đôi so với các loại austenit tiêu chuẩn, kết hợp với khả năng chống ăn mòn ứng suất clorua tuyệt vời. Lớp 2205 (UNS S32205) là loại song công được sử dụng rộng rãi nhất và ngày càng được chỉ định trong các ứng dụng dầu khí, ngoài khơi, dưới biển và khử muối trong đó tiêu chuẩn 316 đã được chứng minh là không đủ. Độ bền cao hơn của nó cho phép giảm kích thước đường kính dây buộc đối với các thiết kế có trọng lượng quan trọng và khả năng kháng clorua giúp nó phù hợp để ngâm vĩnh viễn trong nước biển - những ứng dụng mà 316 cuối cùng sẽ bị hỏng và hỏng.

Các lớp sức mạnh ISO 3506: A2-50, A2-70, A4-70, A4-80

ISO 3506 là tiêu chuẩn quốc tế xác định cả nhóm hợp kim và cấp độ bền cơ học của ốc vít bằng thép không gỉ trong một ký hiệu nhỏ gọn duy nhất. Hiểu cấu trúc mã là điều cần thiết để giải thích các chứng chỉ, bản vẽ và tài liệu mua sắm dây buộc.

Hệ thống ký hiệu sử dụng định dạng chữ-số-số. Tiền tố số chữ cái xác định nhóm hợp kim: A1 tương ứng với các cấp gia công tự do (loại 303); A2 tương ứng với các loại austenit tiêu chuẩn (loại 304); A4 tương ứng với các loại austenit chứa molypden (loại 316). Số thứ hai biểu thị độ bền kéo tối thiểu theo đơn vị 10 MPa - vì vậy A2- 70 có nghĩa là độ bền kéo tối thiểu là 700 MPa và A4- 80 nghĩa là 800 MPa.

Sự khác biệt về độ bền giữa hậu tố -50 và -70 đạt được thông qua gia công nguội trong quá trình sản xuất - không phải xử lý nhiệt, điều này không áp dụng được cho thép không gỉ austenit. Đây là điểm khác biệt quan trọng: bu lông được đánh dấu A2-70 đã được gia công nguội đến mức cường độ cao hơn A2-50 từ cùng một hợp kim cơ bản. Đối với hầu hết các ứng dụng kết cấu và cơ khí, A2-70 và A4-70 là thông số kỹ thuật cơ bản . A4-80 được chỉ định khi cần lực kẹp cao hơn trong môi trường ăn mòn. Để được hướng dẫn thêm về cách áp dụng các cấp này cho việc lựa chọn bu lông lục giác, hãy xem hướng dẫn sử dụng bu lông lục giác bằng thép không gỉ .

Tiêu chuẩn ASTM: B8, B8M và F593

Tại các thị trường Bắc Mỹ - và trong các dự án được quản lý bởi quy chuẩn đường ống hoặc bình áp lực ASME - bu lông thép không gỉ thường được chỉ định theo tiêu chuẩn ASTM thay vì ISO 3506. Ba ký hiệu xuất hiện phổ biến nhất trên bản vẽ kỹ thuật và thông số kỹ thuật mua sắm.

Sự khác biệt chính giữa A193 và A320 nằm ở phạm vi nhiệt độ sử dụng: A193 B8 được chỉ định cho các ứng dụng nhiệt độ cao trong bình chịu áp lực và hệ thống đường ống có mặt bích; A320 B8 bao gồm cùng một loại hợp kim nhưng có đủ tiêu chuẩn đặc biệt cho dịch vụ đông lạnh và nhiệt độ dưới 0, trong đó phải xác minh độ bền ở nhiệt độ thấp. Cả hai đều yêu cầu ủ dung dịch cacbua và có các yêu cầu đánh dấu đầu cụ thể - bu lông lục giác rèn phải được đóng dấu "B8" hoặc "B8M" cùng với dấu nhận dạng của nhà sản xuất. ASTM F593 áp dụng cho ốc vít có đầu cho các ứng dụng kết cấu và bao gồm bốn loại điều kiện tương ứng với các mức độ gia công nguội khác nhau và mức độ bền liên quan của chúng.

Galling: Nguy cơ tiềm ẩn của ốc vít không gỉ

Galling là một dạng hao mòn dính xảy ra khi hai bề mặt thép không gỉ trượt vào nhau dưới áp lực - như xảy ra trong quá trình siết chặt bu lông. Lớp oxit crom thụ động mang lại khả năng chống ăn mòn cho thép không gỉ cũng có xu hướng bị phá vỡ dưới áp suất tiếp xúc cao và nhiệt ma sát khi gắn ren. Khi điều này xảy ra, các bề mặt kim loại thô hàn lại với nhau trong giây lát, xé kim loại từ một bề mặt và đọng lại trên bề mặt kia. Kết quả có thể từ hư hỏng ren thô đến kẹt hoàn toàn - đai ốc và bu lông dính vào nhau và không thể tách rời nếu không bị phá hủy.

Hiện tượng lõm phổ biến nhất với các loại austenit (đặc biệt là 304 và 316) vì độ cứng tương đối thấp và xu hướng cứng lại trong quá trình trượt khiến chúng dễ bị ảnh hưởng. Rủi ro sẽ tăng lên khi cả bu lông và đai ốc đều có cùng cấp độ. Các biện pháp phòng ngừa thực tế bao gồm:

• Áp dụng chất bôi trơn chống mòn - hợp chất chống bám dính gốc niken, bột nhão molypden disulfide hoặc chất bôi trơn ren gốc PTFE - cho tất cả các ren trước khi lắp ráp.
• Siết chặt ở tốc độ chậm, ổn định thay vì sử dụng dụng cụ tác động bằng khí nén tốc độ cao.
• Ghép nối các bộ phận dây buộc với các mức độ cứng khác nhau nếu có thể - ví dụ: sử dụng đai ốc loại có độ bền cao hơn với bu lông loại tiêu chuẩn sẽ làm tăng chênh lệch độ cứng giữa các bề mặt tiếp xúc.
• Chỉ định các sợi cuộn thay vì các sợi cắt, vì bề mặt sợi cuộn mịn hơn và được làm cứng trong quá trình cán, làm giảm độ nhạy.

Trái ngược với quan niệm sai lầm phổ biến, việc ghép bu lông 316 với đai ốc 304 (hoặc ngược lại) không ngăn ngừa được hiện tượng lõm một cách đáng tin cậy - sự khác biệt về độ cứng giữa hai loại này là không đủ. Ngăn chặn sự ăn mòn thực sự đòi hỏi phải bôi trơn, chênh lệch độ cứng có ý nghĩa hoặc sử dụng vật liệu buộc khác cho một trong các bộ phận giao phối.

Cách chọn loại bu lông thép không gỉ phù hợp

Việc lựa chọn cấp độ yêu cầu đánh giá ứng dụng dựa trên bốn biến số chính: môi trường, tải trọng cơ học, tiêu chuẩn áp dụng và tổng chi phí sở hữu.

Bước 1 - Xác định môi trường ăn mòn

Dịch vụ khí quyển trong nhà hoặc có mái che không tiếp xúc với hóa chất: Cấp 304 / A2 là đủ. Tiếp xúc ngoài trời với mưa, độ ẩm hoặc không khí công nghiệp ôn hòa: Lớp 304/A2-70. Vị trí ven biển, khí quyển biển hoặc tiếp xúc nước mặn không liên tục: Cấp 316/A4. Ngâm trực tiếp trong nước biển, clorua đậm đặc hoặc axit mạnh: Lớp 316L / A4 hoặc duplex 2205 để sử dụng lâu dài. Môi trường oxy hóa ở nhiệt độ cao trên 600°C: Lớp 310S.

Bước 2 - Xác định yêu cầu tải cơ học

So khớp cấp độ bền ISO 3506 với lực kẹp và tải trọng kéo được tính toán trong thiết kế mối nối của bạn. Đối với hầu hết các ứng dụng kết cấu không quan trọng, A2-70 hoặc A4-70 là đường cơ sở thích hợp. Khi cần tải trước cao hơn trong môi trường ăn mòn, hãy chỉ định A4-80. Đối với thiết bị áp suất do ASME quản lý hoặc dịch vụ nhiệt độ thấp, hãy chỉ định tiêu chuẩn ASTM A193 B8 / B8M hoặc A320 B8 / B8M nếu có.

Bước 3 - Xác nhận tiêu chuẩn áp dụng

Các dự án được quản lý theo tiêu chuẩn Châu Âu hoặc quốc tế thường chỉ định các chỉ định ISO 3506. Các dự án ở Bắc Mỹ được quản lý bởi ASME B31, ASME VIII (bình chịu áp lực) hoặc mã kết cấu thép thường tham chiếu các tiêu chuẩn ASTM. Xác nhận hệ thống nào được áp dụng trước khi đặt hàng - hợp kim có thể tương đương, nhưng các tài liệu chứng nhận, dấu đầu và yêu cầu thử nghiệm sẽ khác nhau. Jiangsu Jiajie sản xuất ốc vít tuân thủ các tiêu chuẩn GB, DIN và ISO và có thể cung cấp chứng chỉ kiểm tra vật liệu theo yêu cầu cho các dự án xuất khẩu. Đối với các câu hỏi về việc khớp các yêu cầu ứng dụng cụ thể ở bên phải đai ốc lục giác bằng thép không gỉ và bu lông thuộc dòng sản phẩm của chúng tôi, đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi sẽ có mặt trong vòng 12 giờ.

Bước 4 - Tính đến rủi ro dồn dập và điều kiện lắp đặt

Nếu cụm lắp ráp sẽ được siết chặt với mô-men xoắn cao hoặc nếu việc tháo rời sẽ được yêu cầu định kỳ, hãy chỉ định bôi trơn chống kẹt như một phần của quy trình lắp đặt và xem xét việc chỉ định các ốc vít có ren cuộn. Đối với các bộ phận phải được tháo rời thường xuyên - chẳng hạn như mặt bích bảo trì trong nhà máy hóa chất - chi phí dài hạn của các ốc vít bị mòn và phải cắt bỏ cao hơn đáng kể so với chi phí ban đầu của thông số kỹ thuật được bôi trơn hoặc phủ cao cấp.