內(nèi)螺紋緊固件的選型探討

謝仔新

（宇星緊固件（嘉興）股份有限公司， 浙江嘉興 314201）

0 引言

內(nèi)螺紋緊固件是最常用的一類緊固件， 是工業(yè)大米的基礎(chǔ)組成部分，通常稱為螺母或螺帽。按有無標準分為標準產(chǎn)品和非標產(chǎn)品。標準產(chǎn)品包括按國際標準、行業(yè)標準和國家標準所生產(chǎn)的產(chǎn)品。 非標產(chǎn)品是按照圖紙而非完全按照標準制造的產(chǎn)品， 非標產(chǎn)品的選型有一定的特殊性，有些行業(yè)的緊固件選型有專門的介紹[1]。 面對如此多的內(nèi)螺紋緊固件標準， 在實際應(yīng)用中如何選用合適的標準和產(chǎn)品， 一直困擾我們的設(shè)計人員。 根據(jù)GB/Z 32564 螺母設(shè)計指南， 螺栓和螺母承受過載時會出現(xiàn)3種失效形式：

——當(dāng)螺紋旋合長度足夠，內(nèi)螺紋材料強度足夠時，螺栓斷裂。

——當(dāng)螺紋旋合長度太短，內(nèi)螺紋材料強度較高時，外螺紋脫扣。

——當(dāng)螺紋旋合長度太短，內(nèi)螺紋材料強度較低時，內(nèi)螺紋脫扣。

緊固件安裝后，螺栓和螺母在擰緊后存在扭-拉復(fù)合力，在扭-拉復(fù)合作用下其極限夾緊力Fu計算公式如下：

根據(jù)亞歷山大理論， 螺栓和螺母連接副的影響因素中，螺母的主要影響因素有：性能等級、硬度、高度、螺紋公差、對邊寬度、倒角高度、螺距。

根據(jù)內(nèi)螺紋緊固件選用時其主要的影響因素，結(jié)合我們在工程應(yīng)用中的特點， 本文提出內(nèi)螺紋緊固件的選用通用原則。

1 產(chǎn)品材質(zhì)選型

根據(jù)內(nèi)螺紋緊固件的應(yīng)用環(huán)境和安裝部位， 需優(yōu)先確定內(nèi)螺紋緊固件的材質(zhì)種類。 常用的材質(zhì)有：碳鋼緊固件、不銹鋼緊固件、有色金屬固件、鈦合金緊固件和其他特種材料緊固件。

1.1 碳鋼類材質(zhì)應(yīng)用環(huán)境

碳鋼是含碳量在0.0218%～2.11%的鐵碳合金。常用的材料有低碳鋼、中碳鋼、合金鋼，中碳鋼和高碳鋼都可以通過熱處理的方式來提升材料強度， 產(chǎn)品的保證應(yīng)力在（380～1200）N/mm2。 其本身沒有良好的防腐性能，只能通過增加表面處理的方式來提升防腐性能。 根據(jù)碳鋼的特點，其使用環(huán)境為常規(guī)的室內(nèi)和室外條件下，不能長期在酸性、堿性、高溫、高濕或腐蝕條件下使用，常用使用溫度條件在-50℃～150℃，超出此溫度需綜合評估和選用特定的材料。 內(nèi)螺紋緊固件常用的三種碳鋼材料特點：

低碳鋼：Q195、Q215、Q235、SWRCH8A/10A/12A/15A/18A/20A/22A、ML08AL、1006、1008 等。這類材料不能通過熱處理的方式來提升強度，適合做低強度等級的產(chǎn)品。

中碳鋼：SWRCH35K40K45K、45#。 這類材料均可通過熱處理的方式來提升強度。

合金鋼：ML15MnTiB、ML15MnTiB、10B21，10B33、40Cr、35CrMo、42CrMo。 這類材料均可通過熱處理的方式來提升強度。

1.2 不銹鋼類材質(zhì)應(yīng)用環(huán)境

耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)或具有不銹性的鋼種稱為不銹鋼。 其通過鈍化或拋光可以獲得較美觀的表面狀態(tài)，不銹鋼緊固件具有美觀、經(jīng)久耐用、抗腐蝕力強等特點。 在酸堿腐蝕、環(huán)境比較惡劣和需要美觀條件下，比較適合選用此類材料制造的緊固件。 在緊固件行業(yè)主要使用的不銹鋼材料有馬氏體鋼、奧氏體鋼和鐵素體鋼。其保證應(yīng)力在（450～1100）N/mm2，常用來制造薄型六角螺母和1 型六角螺母。 目前市場上內(nèi)螺紋緊固件常用不銹鋼材料主要有SUS302、SUS304 和SUS316。

1.3 有色金屬材質(zhì)應(yīng)用環(huán)境

有色金屬在緊固件行業(yè)常用的有銅類材質(zhì)和鋁類材質(zhì)。 銅類緊固件的抗腐蝕性能較好， 具有不可磁化的特性。表面光澤能力較強，在電工和電子行業(yè)該類緊固件較為常用。 其保證應(yīng)力在（240～640）N/mm2。 常用材料為黃銅、鋅銅合金。 目前市場上常用材料有H62、H65、H68，常用產(chǎn)品有銅螺母、鑲嵌銅螺母、滾花銅螺母、嵌裝銅螺母、注塑銅螺母等。

鋁制緊固件的單重是其同類鋼制緊固件單重的1/3。在強質(zhì)比上， 鋁制緊固件比其他任何一種常用材料制成的緊固件都要高。鋁是不可磁化的。鋁的熱傳導(dǎo)性約為同體積下銅傳導(dǎo)性能的2/3。 鋁有很好的加工特性，易于冷成型和熱鍛。其保證應(yīng)力在（250～510）N/mm2。所以在航空航天和汽車工業(yè)應(yīng)用較為普遍， 主要內(nèi)螺紋產(chǎn)品種類為鉚接型式。 鉚接螺母常用材料為鋁合金材料。

1.4 鈦合金材質(zhì)應(yīng)用環(huán)境

鈦合金材料因其具有優(yōu)異的耐腐蝕性、高的強度比、耐高溫，以及無磁性等一系列優(yōu)點，在航空航天等行業(yè)工業(yè)部門獲得了廣泛應(yīng)用。 常用材料類型有：α 鈦（TA0～TA3）、α 鈦合金（TA7～TA19 及TC1、TC2）、α-β 鈦合金（TC4 ～TC17）、β 鈦合金（TB2～TB8）等。其保證應(yīng)力在（280～1450）N/mm2。 廣泛應(yīng)用于航空、航天、醫(yī)療、電子等行業(yè)的重要關(guān)鍵部位。缺點：鈦合金零件易從酸洗液、腐蝕液、熱加工的高溫氣氛中吸入氫，產(chǎn)生氫脆；鈦合金零件在高溫條件下易氧化，造成氧污染。

1.5 其他類特種材質(zhì)應(yīng)用環(huán)境

針對一些特殊的使用條件下， 例如超高溫和超低溫使用條件下均需要選用特定種類的材料。

根據(jù)上述描述不同材質(zhì)的使用條件和材質(zhì)特點，我們在選用內(nèi)螺紋緊固件的時候可以先根據(jù)使用的環(huán)境確定內(nèi)螺紋緊固件的材質(zhì)種類，縮小選型范圍，再進行后續(xù)的產(chǎn)品選型。

2 螺母性能等級和規(guī)格選型

在螺母材料選型的基礎(chǔ)上， 需要進一步確認產(chǎn)品的性能等級和規(guī)格。性能等級決定產(chǎn)品的保證應(yīng)力，具體規(guī)格決定極限夾緊力。 選用原則按照設(shè)計原則Fu計算公式，查出對應(yīng)的性能等級和規(guī)格。

2.1 碳鋼類內(nèi)螺紋緊固件的性能等級

碳鋼內(nèi)螺紋緊固件的性能等級標準為GB/T 3098.2（ISO 898-2），其性能等級有04、05、5、6、8、10、12，其中04和05 級是對應(yīng)薄型螺母的性能等級，12 級為2 型螺母的對應(yīng)等級。通過標準可以查出具體規(guī)格的對應(yīng)保證應(yīng)力。其強度等級與螺栓等級之間關(guān)系見表1。

表1 碳鋼螺母等級與配對螺栓之間關(guān)系

根據(jù)螺母設(shè)計指南，結(jié)合工作部位的受力要求，選用合適的性能等級和規(guī)格。

2.2 不銹鋼類內(nèi)螺紋緊固件的性能等級

不銹鋼內(nèi)螺紋緊固件的性能等級標準為GB/T 3098.15（ISO 3506.2），常用性能等級有50、70、80、025、035。其中50、70、80 為1 型螺母選用等級，025、035 為薄型螺母選用等級。 通過標準可以查出具體規(guī)格的對應(yīng)保證應(yīng)力。其強度等級與螺母類型、螺栓等級之間關(guān)系見表2。

表2 不銹鋼螺母等級與配對螺栓之間關(guān)系

根據(jù)螺母設(shè)計指南，結(jié)合工作部位的受力要求，選用合適的性能等級和規(guī)格。選型中需確保螺母不能脫扣。選型過程還需考慮在擰緊時螺栓斷裂載荷一般會降低15%～20%。 不銹鋼內(nèi)螺紋緊固件在選用等級時還需確定其不銹鋼的組別。 最常用的等級為D≤M24：A2-70，A4-70；M24＜D≤M39：A2-50、A4-50。 其中奧氏體不銹鋼為最常用內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品。

2.3 有色金屬類內(nèi)螺紋緊固件的性能等級

有色金屬內(nèi)螺紋緊固件的性能等級標準為GB/T 3098.10，通過標準可以查出具體規(guī)格的對應(yīng)保證應(yīng)力。 國家標準中涉及有色金屬螺母標準與性能等級關(guān)系見表3。

表3 有色金屬螺母標準與性能等級之間關(guān)系

通過上述表格結(jié)合實際使用的受力要求，可以確定其具體性能等級和規(guī)格。等級和規(guī)格確定后可以繼續(xù)確定其具體材質(zhì)牌號，相應(yīng)性能等級與材質(zhì)之間的關(guān)系見表4。

表4 有色金屬螺母等級與材料之間關(guān)系

2.4 鈦合金類內(nèi)螺紋緊固件的性能等級

鈦合金類緊固件的性能等級主要是根據(jù)材質(zhì)的不同進行區(qū)分[3]，不同材質(zhì)的保證應(yīng)力不同。 其強度等級范圍為：σb=（280～1450）N/mm2，目前國家標準中還未對其進行標準化。 其性能等級和材料之間的關(guān)系見表5。

表5 常見航空緊固件用鈦合金的性能

根據(jù)螺母設(shè)計指南，結(jié)合工作部位的受力要求，選用合適的等級和規(guī)格并確認材質(zhì)牌號。

2.5 其他類特種材料內(nèi)螺紋緊固件的性能等級

除上述常用的不同材質(zhì)緊固件， 還有一些特種材料的緊固件，如在高溫和低溫條件下使用的緊固件、鎳合金鋼類緊固件，根據(jù)材質(zhì)的種類其保證應(yīng)力參照相應(yīng)標準，碳鋼和合金鋼類參照GB/T 3098.2， 不銹鋼類參照GB/T 3098.15，有色金屬類參照GB/T 3098.10。

根據(jù)上述選型規(guī)則和受力情況， 可以進一步確認產(chǎn)品等級和規(guī)格，有一些可確認材質(zhì)大致范圍，有些可以確定具體牌號。根據(jù)螺母設(shè)計指南，選型中需確保螺母不能脫扣， 選型過程還需考慮在擰緊時螺栓斷裂載荷一般會降低15%～20%。

3 產(chǎn)品標準選型

當(dāng)產(chǎn)品的材質(zhì)和性能等級確定后， 可以進一步確認選用產(chǎn)品的標準，產(chǎn)品主要分薄型螺母、1 型螺母、2 型螺母，產(chǎn)品標準選型前需先確認產(chǎn)品標準采標對象，是國家標準、國外標準還是行業(yè)標準。下面主要舉例針對國家標準范圍內(nèi)的選型。

3.1 碳鋼類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品對應(yīng)標準

碳鋼類內(nèi)螺紋緊固件的產(chǎn)品標準與性能等級之間的對應(yīng)關(guān)系見表6。

表6 碳鋼螺母國家標準與性能等級關(guān)系

（續(xù)表6）

根據(jù)對應(yīng)表和名稱，結(jié)合安裝工作部位的要求，可以確認選型產(chǎn)品的標準。 同等條件下選用細牙產(chǎn)品可以有效增加螺紋的接觸面積，可以提高產(chǎn)品的保證應(yīng)力。

3.2 不銹鋼類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品對應(yīng)標準

不銹鋼類內(nèi)螺紋緊固件的國家產(chǎn)品標準與性能等級之間的對應(yīng)關(guān)系見表7。

表7 國家標準不銹鋼螺母產(chǎn)品標準與性能等級關(guān)系

根據(jù)上述國家標準與性能等級之間的對應(yīng)關(guān)系，在結(jié)合安裝工作部位的要求，可以確定產(chǎn)品的具體標準。

其他材質(zhì)種類的產(chǎn)品選型，基本采用這類選用方法，針對在選型過程中，當(dāng)有提出跟標準產(chǎn)品有差異時，可在標準的基礎(chǔ)上增加一些特需要求，組成新的非標圖紙要求。

4 表面處理狀態(tài)選型

選型中，不同的表面處理狀態(tài)可以達到不同的防腐效果和外觀要求。

4.1 碳鋼類內(nèi)螺紋緊固件常用表面處理

碳鋼類緊固件所采用的表面處理種類最多，常用表面處理有本色、鍍鋅、發(fā)黑、達克羅、熱鍍鋅等，這些表面處理的中性鹽霧試驗時間各有差異[4]，在實際應(yīng)用中根據(jù)需要的鹽霧試驗時間來確定具體的表面處理種類，見表8。

4.2 不銹鋼類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品常用表面處理

不銹鋼類緊固件常用的為表面拋光處理后鈍化。 鈍化后可有效的增加防腐性能（GB/T 5267.4）。 但不銹鋼類緊固件有咬死的特性，需表面增加一些表面潤滑膜來預(yù)防此類現(xiàn)象的發(fā)生。常用內(nèi)螺紋緊固件不銹鋼材料的防腐效果：SUS316＞SUS304＞SUS302。

表8 中碳鋼內(nèi)螺紋緊固件表面處理與防腐關(guān)系及應(yīng)用條件

4.3 有色金屬類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品常用表面處理

有色金屬類緊固件，因其材料本身的優(yōu)異防腐性能，常規(guī)不需要進行特殊的防腐處理， 進行簡單的處理即可達到較好的防銹效果。

4.4 鈦合金類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品常用表面處理

鈦合金類緊固件常用的表面處理種類有陽極化、涂鋁、涂十六醇、鍍鎘+涂二硫化鉬、陽極化+涂二硫化鉬[5]。不同表面處理根據(jù)實際的使用需求來確定。

5 結(jié)論

標準內(nèi)螺紋緊固件的選型首先確定材料，根據(jù)材料再選用適合的性能等級和規(guī)格，進一步選定產(chǎn)品標準型號，最后選用合適的表面處理狀態(tài)。

非標類內(nèi)螺紋緊固件產(chǎn)品的選型，首先確定材料，再選用適合的性能等級和規(guī)格，根據(jù)受力安裝部位的要求，提出需求的技術(shù)要求，再選用適合產(chǎn)品的表面處理狀態(tài)，組成非標產(chǎn)品需求。