Крепежные элементы из нержавеющей стали против крепежных элементов из углеродистой стали

Крепёж кажется товарным изделием, но выбор материала — нержавеющая или углеродистая сталь — определяет, как долго болтовое соединение остаётся плотным и пригодным к эксплуатации. Болты создают прижимное усилие, уплотняющее фланцевые прокладки, поэтому их коррозионная стойкость и класс прочности определяют всё соединение. Ниже сопоставлены состав, коррозионная стойкость, механическая прочность, физические свойства, стоимость и гальванический риск.

Состав и структура материалов

Обе группы основаны на железе, но конструкция сплава их разделяет.

• Углеродистая сталь — железо и углерод с небольшими добавками марганца и кремния. В крепеже применяют среднеуглеродистые легированные стали, например B7 и 2H, или термообработанные углеродистые стали, например 35K и 10B21.
• Нержавеющая сталь — железо с не менее чем 10.5 % хрома, а также никелем и молибденом. Хром образует тонкую плотную оксидную плёнку, которая восстанавливается после повреждения.
• Распространённые типы — аустенитные (304, 316), мартенситные (410) и ферритные (430). В производстве крепежа преобладают аустенитные марки.
• Обозначения прочности: углеродистая сталь — классы свойств 4.8, 8.8, 10.9 и 12.9; аустенитная нержавеющая сталь — A2-70 и A4-80.

Углеродистая сталь упрочняется термической обработкой, а аустенитная нержавеющая — нет; отсюда разный предел прочности двух групп.

Коррозия, прочность и физические свойства

Коррозионная стойкость

Это главное различие. Пассивная плёнка сохраняет нержавеющую сталь в влажных, наружных и химических средах и в контакте с солёной водой, а марка 316 с молибденом противостоит точечной и щелевой коррозии в морских условиях. Углеродистая сталь в тех же условиях ржавеет без защитного покрытия — цинкования, Dacromet или PTFE, — а корродированные резьбы заклинивают, и соединение нельзя разобрать.

Крепёж из углеродистой стали обычно требует покрытия: цинк, Dacromet, PTFE или чернение.

Механическая прочность

Нержавеющая сталь не обязательно прочнее. Аустенитные марки получают прочность от состава сплава и деформационного упрочнения и не упрочняются термообработкой, поэтому A2-70 и A4-80 достигают 700 и 800 MPa на разрыв.

Таблица 1. Номинальная прочность на разрыв по классам; фактические значения зависят от размера резьбы и термообработки.

Для нагрузок выше 1000 MPa по-прежнему применяют термообработанные легированные или углеродистые стали класса 10.9 и 12.9.

Термообработка поднимает прочность болтов из углеродистой стали выше 1000 MPa.

Физические свойства

• Магнетизм: углеродистая сталь магнитна. Аустенитные 304 и 316 немагнитны или слабомагнитны после холодной высадки, а мартенситные и ферритные марки магнитны; это важно для электроники и медицинских изделий.
• Тепловое расширение: аустенитная нержавеющая сталь расширяется примерно на 50 % больше углеродистой, поэтому при перепадах температуры предварительное натяжение меняется.
• Теплопроводность и электропроводность: нержавеющая сталь проводит тепло и электричество хуже; это учитывают там, где нужны отвод тепла или электрический контакт.

Стоимость, жизненный цикл и гальваническая коррозия

Хром и никель делают нержавеющую сталь дорогой: такой крепёж обычно стоит в три раза и более дороже углеродистого аналога. В сухих помещениях углеродистая сталь дёшева и достаточна. На открытом воздухе и в агрессивных средах ей нужны покрытие и периодическая замена, а заклинившее соединение или простой обходятся дороже самого крепежа. За срок службы объекта нержавеющая сталь часто выигрывает по совокупным затратам.

Не смешивайте материалы во влажной или проводящей среде. Нержавеющая и углеродистая сталь в контакте с солёной водой образуют гальванический элемент, и углеродистая сталь в роли анода быстро корродирует. На трубных фланцах это означает, что шпильки выходят из строя первыми. Если смешение неизбежно, разорвите металлический контур изолирующими втулками и шайбами.

• Нержавеющую сталь выбирают для наружных конструкций, морской и химической промышленности, пищевого, фармацевтического и медицинского оборудования и любых соединений без технического обслуживания.
• Углеродистую сталь — для сухих помещений, для классов 10.9 и 12.9 при жёстких требованиях к прочности, для временных работ с жёсткой экономией и там, где нужны магнетизм или электропроводность.
• По возможности подбирайте крепёж в пару к основному металлу и проверяйте затяжку после температурных циклов, если в соединении разные материалы.

Частые вопросы

Какую нержавеющую сталь выбрать для морского соединения?

Обычно берут 316 или A4-80: молибден противостоит точечной и щелевой коррозии в солёной воде. Марка 304 допустима лишь при слабом воздействии.

Магнитны ли болты из нержавеющей стали?

Аустенитные 304 и 316 немагнитны или слабомагнитны после отжига и могут приобрести слабый магнетизм при холодной высадке. Мартенситные и ферритные нержавеющие стали магнитны.

Почему нержавеющие болты заклинивают в углеродистом соединении?

Во влажном соединении оба материала образуют гальванический элемент, углеродистая сталь корродирует, продукты коррозии блокируют резьбу и болт нельзя вынуть без разрезания. Изолирующие втулки и шайбы прерывают металлический контур.

Можно ли получить более 1000 MPa от нержавеющего крепежа?

Стандартные аустенитные марки ограничены 700-800 MPa. Выше 1000 MPa задают термообработанные легированные или углеродистые стали класса 10.9 или 12.9.