紧固件材料相关知识

緊固件與鋼鐵材料- 吳政哲有百分之九十的以下的緊固件使用鋼鐵材料, 如果將不銹鋼加進去, 比例還會更高, 作為緊固件銷售人員或銷售工程師, 不可不了解其中的變化及區分, 如果是設計工程師, 所應該了解的還必須更多. 緊固件使用鋼鐵材料所必須考慮的大約可以分為下列因素 :1. 材料化學成份.2. 材料精製程度及組織狀態.3. 材料表面要求.4. 材料機械性能.5. 其它特殊要求.一般銷售人員應該了解的是材料化學成份與緊固件機械性能的關係, 銷售工程師必須了解1-3及部及部份5的要求, 至於高級品保人員及設計工程師則必須全部掌握這些因素及其間的相關性並求得融會貫通. 要全部了解世界各國所有緊固件使用鋼材是不可能的, 因此, 本章僅就常用部份加以討論, 其中包括 :1. ISO.2. DIN.3. AISI.4. SAE.5. JIS.6. 部份鋼廠引用標準.如果客戶要求超過上述部份領域, 而銷售人員必須尋求答案時, 您應該向品保單位主管尋求支援. 一般而言, 如果您了解並通達本章包含材料時, 至少有八成以上詢價會難不倒您, 而且您比您客戶的設計人員還了解鋼鐵材料在緊固件的要求及使用方式. 並進而可以獲得您客戶對您的信心.一. 材料化學成分與緊固件鋼鐵材料化學成分與緊固件強度級數息息相關. 一般而言, 鋼鐵材料化學成分中最重要的部份是碳的含量. 依碳含量, 鋼又可以分為軟鋼材及硬鋼材. 軟鋼材指的是含碳量在萬分之30以下的鋼. 硬鋼材則是含碳量在萬分之30以上到萬分之85以下的鋼材(依JIS 區分). 製造緊固件時一般可以區分為 :1. 冷加工用材料 :a. 螺栓, 螺絲及螺樁等外螺紋緊固件 : 1) 強度級數較低的材料使用軟鋼材. 一般級數在ISO Class 4.6 6.8(或SAE Grade 1 2)之間使用軟鋼材可以達到其強度要求. 一般使用軟鋼材含碳量範圍在萬分之10以下. 但級數較高如Class 5.8及6.8的緊固件則使用較高碳含量的鋼種如C1020以上. 但在實際應用上, 最好不要超過萬分之25以免成型時不好處理. 此類緊固件不需熱處理. 其強度之達成有賴於冷加工硬化.2) 強度級數較高的材料使用硬鋼材或合金鋼. 一般級數在ISO Class 8.8 12.9(或SAE Grade 5 8)之間使用硬鋼材或合金鋼及熱處理才可以達到其強度要求. Class 8.8( Grade 5 )一般使用中碳鋼( C1035以上 )及熱處理( 淬火, 回火 ). Class 9.8及Class 10.9( Grade 8 )使用合金鋼( 低到中合金鋼 )及熱處理( 淬火, 回火 ). Class 12.9( ASTM A574 ) 使用中碳合金鋼及熱處理( 淬火, 回火 ). 如果緊固件的公稱直徑不大及使用場合為常溫場合時, 經客戶同意或指定也可以使用低碳硼鋼及熱處理( 淬火, 回火 ). 使用低碳硼鋼運用時可用於Class 8.8, 9.8, 10.9( SAE Grade 5.2, 8.2 )以便降低成本.b. 螺帽等內螺紋緊固件 : 1) 強度級數較低的材料使用軟鋼材. 一般級數在ISO Class 5 6(或SAE Grade 1 2 )之間使用軟鋼材可以達到其強度要求. 一般使用軟鋼材含碳量範圍在萬分之10以下. 但級數較高如Class 8(或SAE Grade 5 )的緊固件則使用碳含量具有下限的鋼種如C1010以上. 但在實際應用上, 最好不要超過萬分之18以免成型時不好處理. 此類緊固件不需熱處理. 其強度之達成有賴於冷加工硬化. 其中以8級螺帽最難處理. 螺帽與螺絲不同, 其荷重方式主要以壓縮為主而非伸張. 因此螺帽的強度不只與材料相關, 還與尺寸( 尤其是厚度 )相關聯. 8級螺帽亂用材料將會造成螺帽強度不足, 業務人員必須小心.2) 強度級數較高的材料使用硬鋼材. 一般級數在ISO Class 10 (或SAE Grade 8 )之間使用硬鋼材熱處理才可以達到其強度要求. 一般使用中碳鋼( C1035以上 )及熱處理( 淬火, 回火 ). 亦有使用硼鋼製造者.c. 墊圈類鋼板用料 : 1) 平面墊圈 : 無荷重用平墊圈通常使用結構用熱軋鋼板邊角料( 即JIS G3101 SS材 )製造, 一般而言, 無甚要求. 有硬度要求( 但不高 )的平墊圈可以使用較厚的邊角料在壓延一些使之冷加工硬化之後再生產即可.2) 防鬆用或荷重用墊圈 : 一般使用材料限制比較緊, 依製造習慣, 一般使用碳素鋼S 50CM到S 70CM並淬火回火. 比較困難處理的(如弓形墊圈或齒型墊圈), 可以改用碳素工具鋼 SK 6M或SK 7M. 這些材料必須是全脫氧的冷軋鋼板( 參照 JIS G3311 ).d. 鉚釘, 插銷或拉釘 : 鉚釘, 插銷或拉釘一般用料與螺栓同, 但須注意有一些鉚釘(尤其是中空鉚釘)其硬度不可太高, 甚至要求到HRB 60以下者, 請注意, 一般鋼料在正常化後其硬度約在HRB 70 80, 因此硬度要求低於HRB 70以下時就必須特殊處理, 另外這些鉚釘使用材料最好不要高於AISI 1004以免冷作加工之後硬度過高.e. 小螺絲及自攻螺絲 : 在緊固件領域裡, 這一群算是比較特殊, 跟螺帽一樣, 材料變化也很多, 很難理解. 不過還是會有一些規則可循.一般小機械螺絲及木螺絲未做硬化熱處理者, 其用料絕大部份為軟鋼料, 且集中於C1006-C1010( SWRM 6 SWRM 10 ). 機械螺絲做硬化熱處理者, 大部份使用C1018 C1022材料(這是因為含碳量要在萬分之15以上才容易對調質熱處理起作用, 而含碳量超過萬分之25以上時, 調質熱處理有延展性劣化的現象, 因此 SAE J429 Grade 5.1作如此規定), 一般而言, 機械螺絲不作滲碳熱處理, 如果作滲碳熱處理的話, 想必是您客戶把它當作自攻螺絲Type C使用但以機械螺絲名義下單給您. 這個不管, 反正您的客戶爽就可以. 自攻螺絲用料範圍就很窄, 但是有時候為達目的, 不擇手段, 尤其是以塑膠牙自攻螺絲為甚, 不過一般來說, 大部份還是使用低碳鋼來做, 不過選擇範圍很窄, 一般用料只有C1018, C1021, C1022三種, 也有人使用10B21來作, 通常使用滲碳熱處理. 少部份使用調質熱處理, 也有不作熱處理的. 之所以如此, 是因自攻螺絲不太規範, 所以碰到不懂的, 沒有別的辦法, 多問, 而且要問對人, 本公司對自攻螺絲素有研究者不出洪臥波及鄧祖漢兩位先生(拍拍馬屁, 不要介意), 可以多請教.常用鋼鐵材料一覽表JISISODINASTM適用範圍SS 41以下-Ust 34A36平面墊圈SWRM 62CD6-1006鉚釘, 低拉力螺絲螺栓, 螺樁, 低拉力螺帽SWRM 82CD8C101008SWRM 102CD10CK101010低拉力螺絲螺栓, 螺樁, 小尺寸高拉力螺帽SWRM 122CD13A-1012SWRM 152CD15CK151015大尺寸高拉力螺帽M12, M16SWRM 172CD18-1018高拉力機械螺絲, 自攻螺絲SWRM 202CD20CK221020SWRM 222CD23A-1022SWCH 35K-CK351035高拉力螺帽, 高強度螺絲, 螺栓, 螺樁SWCH 38K-1038SWCH 40K-CK401040SWCH 45K-CC451045耐熱用緊固件備註1. 上述材料均以構造用鋼表示, 如改以冷鍛用鋼表示時, 類號會有變化, 如 JIS SWRM部份應以SWCH取代. 另中碳鋼不可使用構造用鋼, 只能使用冷鍛用鋼. 2. DIN 部份以CK表示者現已少用, 大部份會以St表示, 但非常混亂. 只有以料號( 如RSt36 料號為1.0205 )表示方可找到確實應使用的材料. 目前公司資料不齊.常用合金或特殊鋼材料一覽表JISISODINASTM適用範圍SCM435-4135高拉力螺帽, 高強度螺絲, 螺栓, 螺樁-4037SUS30411X5CrNi189S30400幾乎所有緊固件均適用SUS30515X5CrNi1911S30500小螺絲-XM7小螺絲, 螺帽SUS31620, 20aX5CrNiMo1810S31600幾乎所有緊固件均適用SUS4308X8Cr17S43000墊圈較多SUS4103X10Cr13S41000高拉力不鏽鋼緊固件, 不鏽鋼自攻螺絲備註1. 特殊鋼用在緊固件方面, 一般來說比較單純, 不鏽鋼部份變化比較多. 2. DIN部份有時候客戶以料號表示( 如304 料號為1.4301 ).二. 材料精製程度及組織狀態.1. 材料精製程度 : 材料精製的程度與組織狀態與其可鍛造性及熱處理硬化性方面息息相關, 一般而言, 鋼鐵材料依其精製等級, 可以分為下列三種.a. 未靜鋼( Rimming Steel ) : 材料於煉鋼過程未經過脫氧者.b. 半靜鋼( Semi-Killed ) : 材料於煉鋼過程經過脫氧但脫氧不完全者.c. 全靜鋼( Killed Steel ) : 材料於煉鋼過程經過完全脫氧者.這裡不討論什麼叫做脫氧, 有興趣者可以自己去查書看, 幾乎所有討論鋼鐵材料的書都有. 我們只看其影響性. 未靜鋼及半靜鋼由於內含氣泡之故, 因此於壓延之後組織內部會存在有裂縫. 在鍛造時極易造成裂痕, 因此在冷鍛加工方面其實用性不高, 主要是用在結構方面, 如鋼板, 鋼筋等. 冷鍛加工方面, 絕大多數使用全淨鋼材料. 2. 組織構造 : 既然冷鍛加工多數使用全淨鋼材料, 那現在我們來看全靜鋼如何應用在冷鍛加工上, 及其組織構造上又有何區別? 一般而言, 全淨鋼依照脫氧劑的不同, 又可以分為下列兩種 :a. 鋁脫氧全淨鋼 : 使用鋁作為脫氧劑之全靜鋼, 脫氧後其組織為細晶( Fine Grain )組織, 其優點為易於鍛造, 冷鍛加工硬化性低(有興趣可以去查一查比較專業性的書籍才有), 但有一得必有一失, 鋁脫氧鋼熱處理硬化性卻是不佳, 這個鳥竅門很多人不知道, 常常掉進陷阱, 例如自攻螺絲或是Grade 5.1 小螺絲, 其實是使用C1018K Cl022K才可以比較容易地達到其規定熱處理條件, 但是用料習慣上為了節省成本( C1018K Cl022K有時需要退火或球狀化 ), 還是使用了C1018A C1022A, 因此在臺灣QIC為這個問題吵了將近十年, 現在還在吵. 因為鋁脫氧鋼的這種性質, 因此在實際應用上, 多用於軟鋼料如SWRCH 6A 15A等不作熱處理的鋼種, 不過也有例外, 比如說中鋼的1035ACR就是鋁脫氧鋼, 應用在Class 8.8或Grade 5的螺栓時, 可以不必退火或球化就可以直接打製, 這個導致了這些螺栓台灣變成成本最低的. 又因為它是細晶材料, 所以熱處理硬化能不佳, 所以中鋼又添加了一些鉻Cr進去增加其硬化能, 不過公稱尺寸超過M12或1/2”(含)時, 就淬不到標準值, 於是中鋼又出了1040ACR牌號出來應付較大規格需要, 可是, 嘿嘿, 一到M20或3/4”(含), 這個又不行了, 根據中鋼人員表示, 更大規格可以使用1541高錳碳鋼, 不過這”只是”個建議. 對於大尺寸的螺栓, 還是依照標準使用矽脫氧粗晶材料較佳.b. 矽脫氧全淨鋼 : 使用矽作為脫氧劑之全靜鋼, 脫氧後其組織為粗晶( Coase Grain )組織, 其缺點為不易鍛造, 冷鍛加工硬化性高, 但有一失必有一得, 矽脫氧鋼熱處理硬化能較好. 因為矽脫氧鋼的這種性質, 因此在實際應用上, 多用於硬鋼料如SWCH 35K 45K等主要作為熱處理的鋼種.三. 材料表面要求在了解了材料精製狀況與其內部組織之後, 接下來就應該要了解材料的表面要求, 其實材料的表面要求的原則和精製要求道理差不多, 只是一個要求裡面, 一個要求外面. 只是程度上有點差別而已, 冷鍛加工時, 外部表面的敏感性比內部組織的敏感性還高. 由於只介紹冷鍛用材料, 因此我們也只介紹冷鍛用材料的表面要求研磨分等. 依照中鋼對冷鍛用材料表面要求規定, 一共可以分成4等 :a. 商業用品級MQ(Merchandise Quality ).b. 一般冷鍛用品級GCWQ( General Cold Work Quality ).c. 特殊冷鍛用品級SCWQ( Special Cold Work Quality ).d. 重冷鍛用品級HCWQ( Heavy Cold Work Quality ).其差異就在於熱軋之前的表面研磨處理, 一般而言, 線材或棒鋼大部份由小鋼胚熱軋而成, 小鋼胚在煉鋼後常會於表面形成不連續或氧化物等雜質, 在軋延成線材之後會在材料表面上形成縫Seams, 對冷鍛加工有相當不利的影響, 因此冷鍛用材料常常需要研磨. 上面這4級就是在規定研磨的公差及品級要求.1. 商業用品級MQ : 一般而言, MQ級材料在鋼胚時並不作表面研磨處理, 因此此級並未規定表面縫之深度, 常使用來產製變形量不大的產品如普通六角螺帽, 鍛造比不超過2的小螺絲等緊固件. 產製時一不小心就會開裂, 使用此級時應加強產品表面不連續檢查頻率.2. 一般冷鍛用品級GCWQ : GCWQ材料在鋼胚時即進行表面研磨處理, 其縫之深度依照材料可鍛性及加工硬化性而定, 低碳鋼時其要求就比較鬆, 中碳鋼時其要求就比較嚴格. 一般可適用於普通鍛造比例的冷鍛加工. 通常用於普通螺帽, 普通螺栓, 螺絲等.3. 特殊冷鍛用品級SCWQ : 其製作與GCWQ相同. 但要求比較嚴格, 因此可以用來製作大鍛造比例的緊固件如輪緣螺帽, 輪緣螺絲等緊固件.4. 重冷鍛用品級HCWQ : 其製作與GCWQ相同. 但要求最嚴格, 可以用來製作相當大鍛造比例的緊固件如大比例輪緣螺帽, 電梯螺栓等緊固件.GCWQ, SCWQ及HCWQ這三級又稱CHQ( Cold Heading Quality ), 是冷鍛緊固件最常用的材料.至於寶鋼則將冷鍛用材料分成三級, 普通級, 較高級及高級三種. 其冷鍛容許量為普通級1/2( 可鍛壓到原長度的1/2 ), 較高級1/3, 高級三種. 使用者可以依不同的鍛造比例選擇材料.四. 材料機械性能材料機械性能方面大部份應用在加工硬化的部份, 與熱處理關聯很少, 很不幸的是討論這方面實際應用的文件相當少, 但相關標準卻很多, 絕大部份集中於構造用鋼板的加工硬化, 討論到線材或棒鋼材料的加工硬化也是不多. 由於資料上的不充足, 因此我們只好以管窺豹地來看一看這一方面究竟有啥東東.一般而言, 材料於製造緊固件時最重要的機械性能是拉力, 就構造用鋼板言, 如SS330, SS400, SS490等, 這些鋼板並不限定含碳量的多寡, 而就指定各種鋼板的抗拉強度, 因此基本上都可以用同一種材料去做, 但是壓延的比例就不一樣, 強度較低的SS330壓延比例小, 強度較高的SS490壓延比例就較大, 利用加工硬化來控制鋼板的強度. 應用在緊固件時, 如DIN 125平面墊圈, 有14H及22H等強度區分, 如果用錯鋼板, 就可能達不到要求, 尤其是22H較高強度的墊圈. 就線材及棒鋼而言, 就有一般拉伸線及重拉伸線的區分, 其分為大約是一般拉伸線其斷面縮減率在25%以下, 重拉伸線( Heavy Drawing Wire )在25%以上, 一般拉伸線拉伸斷面縮減率如果超過25%以上就必須退火或球化以求軟化材料. 但重拉伸線並不軟化以求保持原有強度. 應用在緊固件時, 常用於高拉力螺樁等不必鍛造的緊固件. 五. 其它特殊要求鋼鐵材料除了上述4點應該了解