Vysokopevnostné skrutky z nehrdzavejúcej ocele | Ťah, korózia

Inžiniersky verdikt: Vysokopevnostné skrutky z nehrdzavejúcej ocele ponúkajú pevnosť v ťahu v rozmedzí od 700 MPa (austenitické triedy 304, 316) do 1 100-1 500 MPa (martenzitické triedy 410, 420, 431). Trieda vlastností 70 (700 MPa) a trieda 80 (800 MPa) sú štandardné pre austenitickú nehrdzavejúcu oceľ, zatiaľ čo trieda 100-120 (1 000-1 200 MPa) je k dispozícii pre akosti opracované za studena alebo precipitáciou kalené. Pre odolnosť voči korózii poskytujú austenitické triedy (304, 316) vynikajúcu odolnosť vo väčšine prostredí, pričom 316 ponúka vynikajúcu odolnosť proti bodovej korózii (PREN 24-26 oproti 304 18-20). Martenzitické triedy (410, 420) majú nižšiu odolnosť proti korózii (podobne ako nehrdzavejúca 430) a bez povrchovej úpravy sa neodporúčajú pre morské prostredie alebo prostredie s vysokým obsahom chloridov. Duplexná nehrdzavejúca (2205, 2507) dosahuje vysokú pevnosť (800-1 000 MPa) a vynikajúcu odolnosť proti korózii (PREN 32-38), ale stojí 2-3 krát viac ako 304. Pre vonkajšie, námorné alebo chemické aplikácie je nehrdzavejúca 316 s minimálnou pevnosťou v ťahu 850 MPa optimálnou rovnováhou pre väčšinu priemyselných a stavebných konštrukcií.

Pevnosť v ťahu – triedy vlastností, stupne a výkon v reálnom svete

Pevnosť v ťahu skrutiek z nehrdzavejúcej ocele je špecifikovaná triedami vlastností (podobné triedam uhlíkovej ocele 8.8, 10.9, 12.9), ale s iným číslovaním. Nižšie je uvedené komplexné porovnanie pevnosti v ťahu naprieč triedami nehrdzavejúcej ocele na základe ISO 3506-1 (mechanické vlastnosti spojovacích prvkov z nehrdzavejúcej ocele odolných voči korózii).

Trieda / Materiál	Trieda majetku	Minimálna pevnosť v ťahu (MPa)	Minimálny dôkaz napätia (MPa)	Tvrdosť (HRC)	Typické aplikácie
304/304L (austenitické) -	50, 70 -	500-700 MPa -	210-450 MPa -	<22 -	Všeobecné použitie, vnútorné, ľahké konštrukčné -
316/316L (austenitické) -	50, 70 -	500-700 MPa -	210-450 MPa -	<22 -	Námorné, chemické, vonkajšie, spracovanie potravín -
410 (martenzitické) -	70, 80 -	700-900 MPa -	550-700 MPa -	25-35 -	Vysoká pevnosť, odolnosť proti opotrebeniu, mierna korózia -
431 (martenzitické) -	80 100 -	800-1 000 MPa -	650-850 MPa -	28-38 -	Hriadele čerpadiel, ventily, upevňovacie prvky s vysokou pevnosťou -
630 (17-4 PH) Vytvrdzovanie zrážaním -	100, 120 -	1 000 - 1 200 MPa -	850-1 050 MPa -	33-42 -	Letecký, jadrový, vysoko zaťažený konštrukčný -
Duplex 2205 (austeniticko-feritický) -	70, 80, 100 -	700-1 000 MPa -	500-800 MPa -	25-35 -	Chemické tankery na mori, vysoká odolnosť proti korózii -

Pochopenie tried vlastností pre nerezové skrutky. Na rozdiel od skrutiek z uhlíkovej ocele s označením 8,8, 10,9 (kde prvé číslo je 1/100 pevnosti v ťahu v MPa), skrutky z nehrdzavejúcej ocele používajú jedno alebo dvojcifernú triedu vlastností: trieda 50 (500 MPa min. pevnosť v ťahu), trieda 70 (700 MPa), trieda 80 (800 MPa). Trieda 100 (1000 MPa) je k dispozícii pre precipitačne tvrdené druhy. Trieda vlastností je vyrazená na hlave skrutky (napr. A2-70 pre nehrdzavejúcu 304, trieda 70; A4-80 pre nehrdzavejúcu 316, trieda 80). Pre aplikácie s vysokou pevnosťou špecifikujte A4-80 (316, 800 MPa) alebo vyššiu. Nikdy nepredpokladajte, že všetky nerezové skrutky majú vysokú pevnosť – štandardná A2-50 (304, 500 MPa) má iba 60-70 percent pevnosti skrutky z uhlíkovej ocele triedy 8.8 (800 MPa).

Opracovanie za studena zvyšuje pevnosť bez tepelného spracovania. Austenitické nehrdzavejúce ocele (304, 316) nie je možné tepelne spracovať na spevnenie. Avšak spracovanie za studena (valcovanie závitov, tvarovanie hlavy a ťahanie drôtu) zvyšuje pevnosť v ťahu. Skrutka vyrobená z drôtu opracovaného za studena môže dosiahnuť triedu 80 (800 MPa) v porovnaní s triedou 50-70 pre neopracovanú za studena. Pre aplikácie vyžadujúce viac ako 800 MPa sú potrebné martenzitické alebo precipitačné kalenie. Tieto druhy však majú nižšiu odolnosť proti korózii (pozri časť 2).

Reálne požiadavky na ťah podľa aplikácie:

Ľahké zaťaženie (nábytok, elektronika, sadrokartón): 400-500 MPa – A2-50 (304, Trieda 50) postačujúce.
Všeobecná konštrukcia (zábradlia, konštrukčné konzoly, vonkajšie paluby): 600-800 MPa – odporúča sa A2-70 alebo A4-70 (700 MPa).
Námorný hardvér, príruby chemických závodov, vysoké vibrácie: 800-1000 MPa – A4-80 (316, 800 MPa) alebo 410/431 martenzitické (900-1 000 MPa) s povlakom na koróziu.
Letectvo, ťažké stroje, jadrové zariadenia: 1 000-1 200 MPa – 17-4 PH (630) alebo duplex 2205.

Príklad: Projekt výstavby pobrežného doku používal skrutky A2-70 (304, 700 MPa) na spojenie zábradlia. Po 18 mesiacoch 30 percent vykazovalo štrbinovú koróziu na koreňoch závitu (pozri časť 2), čo si vyžadovalo výmenu. Nahradením boli použité skrutky A4-80 (316, 800 MPa) s PTFE povlakom. Po 4 rokoch nulová korózia a žiadna degradácia pevnosti – napriek rovnakej triede pevnosti v ťahu sa vynikajúca odolnosť zliatiny 316 proti jamkovej korózii ukázala ako kritická v morskom prostredí.

Skúšobná metóda pre pevnosť v ťahu (ISO 3506-1): Skrutky sa umiestnia do stroja na skúšanie ťahu a ťahajú sa až do prasknutia. Maximálna sila delená oblasťou napätia (vypočítaná z priemeru stúpania závitu) udáva pevnosť v ťahu. Pre skrutky M6 (priemer 6 mm) vyžaduje trieda 70 silu minimálne 7 000 Newtonov (zaťaženie približne 700 kg). Pre M10 minimálne 20 000 Newtonov (približne 2 000 kg). Vždy skontrolujte, či pevnosť skrutky v ťahu presahuje maximálne očakávané prevádzkové zaťaženie o bezpečnostný faktor 4-6 pre kritické aplikácie.

Odolnosť proti korózii – porovnanie austenitickej, martenzitickej a duplexnej triedy

Odolnosť nehrdzavejúcej ocele proti korózii pochádza z pasívnej vrstvy oxidu chrómu. Rôzne legujúce prvky (chróm, nikel, molybdén, dusík) však výrazne ovplyvňujú odolnosť voči jamkovej korózii, štrbinovej korózii a koróznemu praskaniu pod napätím. Nižšie je uvedené podrobné porovnanie na základe štandardizovaného testovania a výkonu v teréne.

stupňa	PREN (odolnosť proti prepichnutiu)	Odolnosť proti postreku soli (ASTM B117)	Limit chloridov (ppm)	Námorná vhodnosť	Chemická odolnosť
304 (A2) -	18-20 -	200-400 hodín do červenej hrdze -	<200 ppm -	Slabé (častá štrbinová korózia) -	Dobré pre mierne kyseliny -
316 (A4) -	24-26 -	600 – 1 000 hodín –	1 000 – 2 000 ppm -	Dobré (pobrežné, mierne ponorenie) -	Vynikajúce pre väčšinu chemikálií -
431 (martenzitické) -	16-18 -	100-200 hodín -	<150 ppm -	Obmedzené (iba v interiéri) -	Mierne s povlakom -
630 (17-4 PH) -	16-18 -	200-400 hodín -	<150 ppm -	Slabý až stredný -	Dobré pre konkrétne médiá -
Duplex 2205 -	32-38 -	1 500 - 2 500 hodín -	10 000 str./min -	Vynikajúce (ponorené, zóna striekania) -	Vynikajúce pre chloridy, kyseliny -

PREN (ekvivalentné číslo odolnosti proti pittingu) je kľúčovou metrikou. PREN = %Cr 3,3 x %Mo 16 x %N. Vyššie PREN znamená lepšiu odolnosť voči jamkovej korózii v chloridovom prostredí. 304 (PREN 18-20) je vhodný pre vnútorné a vidiecke vonkajšie použitie. 316 (PREN 24-26) pridáva 2-3 percentá molybdénu, čím sa výrazne zlepšuje odolnosť proti jamkovej korózii. Pre morské zóny alebo bazény (vysoký obsah chlóru) sa odporúča PREN nad 32 – duplex 2205 alebo superaustenitické triedy (904L, 254SMO). Pre ponorené námorné aplikácie sa vyžaduje PREN nad 40 (špeciálne triedy, ktoré nie sú bežné v štandardných skrutkových výrobkoch).

Martenzitické triedy (410, 420, 431) majú nižšiu koróznu odolnosť. Pretože tieto druhy majú nižší obsah chrómu (12-14 percent oproti 18 percentám pre 304) a málo alebo žiadny nikel alebo molybdén, ich PREN je 14-18 – podobne ako nerez 430. Vo vonkajšom prostredí budú hrdzavieť, najmä v blízkosti pobrežia alebo v priemyselnej atmosfére. Ak je pre vonkajšie použitie potrebná vysoká pevnosť (1 000 – 1 200 MPa), musí byť martenzitická skrutka potiahnutá (pozinkovanie, Dacromet alebo PTFE). Skrutky 410 bez povlaku vykazujú červenú hrdzu v priebehu 50 – 150 hodín pri testovaní soľným postrekom – čo zodpovedá 2 – 6 týždňom pobrežnej expozície. Pre námorné použitie nikdy nevyberajte martenzitické bez povlaku.

Špeciálne riziká korózie pre spojovacie prvky: Skrutky sú obzvlášť citlivé na štrbinovú koróziu a galvanickú koróziu. Štrbinová korózia sa vyskytuje v údoliach závitov, kde je nízka hladina kyslíka. 316 je oveľa odolnejšia ako 304, ale dokonca aj 316 bude vystavená štrbinovej korózii, ak bude niekoľko mesiacov zostavená v stojatej morskej vode. Galvanická korózia nastáva, keď sa nehrdzavejúca oceľ dostane do kontaktu s menej ušľachtilým kovom (hliník, uhlíková oceľ) v elektrolyte (slaná voda). Nerezová oceľ pôsobí ako katóda, ktorá urýchľuje koróziu iného kovu. Riešenia: izolujte pomocou nylonových podložiek, použite kompatibilné materiály alebo naneste tmel, aby ste zabránili vniknutiu elektrolytu.

Výsledky testu soľným postrekom (ASTM B117) pre bežné druhy (skrutky M6, 500 hodín expozície):

304 (A2-70): červená hrdza po 280-350 hodinách na koreňoch závitu. Neodporúča sa na použitie na pobreží ďalej ako 1 km od oceánu.
316 (A4-80): žiadna červená hrdza po 500 hodinách. Mierne zmatnenie povrchu. Odporúča sa pre pobrežné a morské oblasti.
410 (bez povrchovej úpravy): červená hrdza po 60-100 hodinách. Viditeľná korózia do 2 týždňov v pobrežnom prostredí. Neodporúča sa na vonkajšie použitie bez náteru.
Duplex 2205: žiadna korózia po 1 000 hodinách. Vhodné pre priamy kontakt s morskou vodou (nepretržité ponorenie).
316 s PTFE povlakom: žiadna korózia po 1 000 hodinách, povlak neporušený. Najlepšie do agresívneho chemického prostredia.

Odolnosť proti korózii podľa prostredia:

Vnútorné, suché (kancelárie, domácnosti, HVAC): Všetky druhy nehrdzavejúcej ocele (minimálne 304). Korózia nie je problém.
Vonkajšie, vnútrozemské (nepobrežné, nízke znečistenie): 304 prijateľné na 10-20 rokov. 316 odporúčané pre dlhšiu životnosť alebo kritické konštrukcie.
Vonkajšie, pobrežné (do 5 km od oceánu): minimálne 316. 304 prejaví hrdzu do 2-5 rokov. Duplex odporúčaný pre priamy soľný postrek.
Námorné (člny, doky, ponorené): Duplex 2205 alebo 316 so silným náterom. Samotný 316 bude štrbinová korózia na závitoch za 3-7 rokov nepretržitého ponorenia.
Chemické prevádzky, bazény, odpadové vody: 316 alebo vyššie. 304 rýchlo zlyháva v prostredí s chlórom (výrastok v priebehu niekoľkých mesiacov).
Spracovanie potravín, lekárske: 316 (pre odolnosť voči korózii čistiacim prostriedkom a kyselinám) alebo 304 (pre menej agresívne prostredie).

Pre Vysokopevnostné skrutky z nehrdzavejúcej ocele používa sa v náročných prostrediach, optimálna voľba vyvažuje pevnosť v ťahu a odolnosť proti korózii. Pre vysokú pevnosť (800 MPa) A dobrú odolnosť proti korózii sú možnosti obmedzené: A4-80 (316, spracované za studena do 800 MPa) je najbežnejší. Pre 1 000 MPa s odolnosťou proti korózii porovnateľným s 316 je potrebný duplex 2205 alebo 17-4 PH (630), oba však stoja podstatne viac a majú nižšiu dostupnosť. Pre väčšinu priemyselných aplikácií vyžadujúcich vysokú pevnosť a odolnosť proti korózii poskytuje najlepšiu hodnotu A4-80 (316, trieda 80), ponúka pevnosť v ťahu 800 MPa a vynikajúcu odolnosť proti bodovej korózii (PREN 24-26).

Matica praktického výberu – prispôsobenie skrutiek požiadavkám aplikácie

Na základe údajov uvedených vyššie použite tento rámec na výber vhodného Vysokopevnostné skrutky z nehrdzavejúcej ocele pre vaše špecifické potreby.

Všeobecná vnútorná / ľahká prevádzka

Známka: 304 (A2-50 alebo A2-70). Ťah: 500-700 MPa. Korózia: Prijateľná v interiéri. Cena: $ (základná). Použitie: Montáž nábytku, elektronika, sadrokartón, spotrebiče.

Vonkajšie / vnútrozemské / stavebné

Stupeň: 304 (A2-70) alebo 316 (A4-70) pre dlhú životnosť. Ťah: 700 MPa. Korózia: 304 postačuje na 10-20 rokov vo vnútrozemí. Cena: $-$$. Použitie: Zábradlie paluby, montáž značiek, konštrukčné konzoly.

Pobrežná / morská zóna

Známka: minimálne 316 (A4-80). Ťah: 800 MPa. Korózia: 600 hodín soľný sprej. Cena: $$. Aplikácie: Doky, pobrežné budovy, príslušenstvo lodí, vonkajšie zábradlia do 5 km od oceánu.

Ponorené more / na mori

Trieda: Duplex 2205 alebo super duplex. Ťah: 800-1 000 MPa. Korózia: soľný sprej 2000 hodín, PREN 32-38. Cena: $$$$. Aplikácie: Kovania cez trup lode, upevňovacie prvky plošín na mori, čerpadlá na morskú vodu.

Chemické / vysokochloridové / bazény

Trieda: 316 (A4-80) alebo 316 s PTFE povlakom. Ťah: 700-800 MPa. Korózia: Odoláva chlóru do 2 000 ppm. Cena: $$-$$$. Použitie: Bazénové rebríky, príruby chemických závodov, zariadenia na čistenie odpadových vôd.

Vysoká pevnosť mierna korózia

Trieda: 410 alebo 431 martenzitická so zinkovým alebo PTFE povlakom. Ťah: 900-1 000 MPa. Korózia: Závisí od náteru. Cena: $$-$$$. Použitie: Vysoko zaťažené stroje, automobilový priemysel (nie exteriér), priemyselné zariadenia (vnútorné).

The Vysokopevnostné skrutky z nehrdzavejúcej ocele trh si vyžaduje starostlivý výber zliatiny – pevnosť v ťahu a odolnosť proti korózii sú často kompromisom. Austenitické druhy (304, 316) ponúkajú najlepšiu odolnosť proti korózii, ale nižšiu pevnosť (max 800 MPa). Martenzitické a PH triedy ponúkajú vyššiu pevnosť (1 000-1 200 MPa), ale nižšiu odolnosť proti korózii, čo si vyžaduje nátery na vonkajšie použitie. Pre najnáročnejšie aplikácie (stavba pobrežia, chemické závody, spracovanie potravín) poskytuje A4-80 (316, trieda 80) optimálnu rovnováhu: pevnosť v ťahu 800 MPa a odolnosť proti korózii PREN 24-26. Pre extrémne prostredia (nepretržité ponorenie do morskej vody, chemikálie s vysokým obsahom chloridov) upgradujte na duplexnú nehrdzavejúcu (PREN 32-38) napriek 2- až 3-násobnej cene. Vždy si vyžiadajte protokoly o skúške materiálu (MTR) pre kritické aplikácie – overte si výsledky ťahových skúšok (ISO 3506-1) a odolnosť proti jamkovej korózii (ASTM G48 na skúšanie chloridu železitého). Pri správnom výbere akosti a špecifikácii povrchovej úpravy poskytujú vysokopevnostné nerezové skrutky 20-50 rokov bezúdržbového servisu.