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高温工作环境下的不锈钢紧固件的工作特性?

  热交换器正常工作温度达1000°F(约283°C)时,用不锈钢制成的螺栓却生锈了!这是为什么呢?原来,在较高温度时,热循环会使某些不锈钢变成非不锈钢.所以选择紧固件材料上一定要慎重,以免发生意外。

  根据定义,不锈钢含铬量应不小于10.5%,但作者认为,该含量仍低。为防止常温下不锈钢生锈,不锈钢基体含铬量应该在12%左右。

  与普遍观点相反,不锈钢不会永远是不锈钢。热循环会使某些不锈钢的含铬量降至使其生锈的水平。但不锈钢种类很多,所以通常可选择其中一种满足特殊用途的不锈钢。

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300系列不锈钢

  300系列不锈钢也就是我们所知道的18—8钢,是紧固件、接头、管子和管道常用的材料。304型不锈钢是不锈钢紧固件普通的材料。18—8钢是300系列不锈钢铬和镍的名义含量.这些材料表面上看有很好的抗腐蚀性能,但将304不锈钢加热到850°F(约199°C)以上,由于碳的沉积作用.会使铬的含量下降。高温度下铬与碳结合形成碳化铬,而碳化铬是不防锈的。采用304L不锈钢可以缓和该问题,304L不锈钢含碳量是304型不锈钢的1/3。用321不锈钢或347不锈钢可以消除碳化铬的形成。321不锈钢和347不锈钢分别含钛和铌,其性质很稳定。由于钛和铌对碳的亲和力比铬大,它们与碳在高温下分别形成碳化钛和碳化铌,因而铬就保留下来。ASTMAl93中300系列不锈钢用于螺栓的有304、321和347不锈钢。

  由于300系列不锈钢的强度只有在冷成形时才得到强化,当温度达到1000°F(约283°C)时,热循环会使紧固件强度下降至退火状态。如果强度下降不可接受,那么稳定的材料321或347也不令人满意。故要考虑其他材料。

400系列不锈钢

  400系列不锈钢的含铬量比300系列不锈钢低,但没有像300系列有碳沉积问题,而且可热处理,可用于温度高达1200°F(约393℃)的工作环境。但由于含铬只有12%一14%,锻制管件在有严重化学气氛的环境中使用会腐蚀,而300系列含16%一20%的铬,不会腐蚀。300系列不锈钢与400系列不锈钢在强度上相同。300系列不锈钢无磁性,而400系列不锈钢有磁性。根据ASTMF593规定,400系列不锈钢中410、416和430系列用于紧固件。

  镍基材料如lnconel系列(由lnconel国际公司提供)或Haynes系列(由Haynes国际公司)是高温应用的极好材料。这些合金钢中的大部分合金钢含铬至少16%,用于防腐。他们也可热处理。在高温下强度高,当然718合金钢可能是紧固件用得多的材料,是宇宙飞船中的标准细牙紧固件。还有Monel(约65%镍和33%铜)也用于紧固件,但强度很低。Haynes国际公司将他们的材料取名为Haslelloy或HaynesXX。Inconel和Haynes公司都提供一些相同的紧固件材料如718和X—750。

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A—286不锈钢

  这是一种航天工业用得广泛的不锈钢。它是铁基不锈钢,含铬15%,可热处理,可冷作硬化。无冷作硬化时抗拉强度在140—180ksi,法兰热处理加上冷作硬化可便抗拉强度达到220ksi,但此时的延伸率相对疲劳负荷来说太低。A—286工作温度在-423°C—1200°C,几乎所有的航天工业用紧固件供应商都能提供A一286紧固件。

MP35N和MPl59

  SPS技术公司提供的MP35N和MPl59材料是高温和腐蚀性环境下应用的非常好的材料,含铬19%。这些材料即使在航天工业上也算是昂贵的。Waspalloy是这组材料中另一种用于极高温度的材料。只有在无选择的情况下才使用这些材料,这些材料价格既高,又不易得到。

  在1000°F(283℃)工作环境下采用304不锈钢是不明智的,如材料强度下降接近退火状态可接受,可选择稳定材料如321或347不锈钢:如强度要求高,而环境腐蚀不是很严重,可采用400系列不锈钢应能满足要求。如300系列和400系列不锈钢都不能解决问题,采用A—286。Inconel,Haynes,MP35N和MPl59都是很好的材料,但成本高.且不易得到。一般设计规则是:必要时才用昂贵的材料以获得令人满意的设计性能。


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