內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

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

——當螺紋旋合長度足夠，內螺紋材料強度足夠時，螺栓斷裂。

——當螺紋旋合長度太短，內螺紋材料強度較高時，外螺紋脫扣。

——當螺紋旋合長度太短，內螺紋材料強度較低時，內螺紋脫扣。

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

根據亞歷山大理論， 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。

根據內螺紋緊固件選用時其主要的影響因素，結合我們在工程應用中的特點， 本文提出內螺紋緊固件的選用通用原則。

1 產品材質選型

根據內螺紋緊固件的應用環境和安裝部位， 需優先確定內螺紋緊固件的材質種類。 常用的材質有：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 碳鋼類材質應用環境

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， 產品的保證應力在（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。 根據碳鋼的特點，其使用環境為常規的室內和室外條件下，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 不銹鋼類材質應用環境

耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質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，不銹鋼緊固件具有美觀、經久耐用、抗腐蝕力強等特點。 在酸堿腐蝕、環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 有色金屬材質應用環境

有色金屬在緊固件行業常用的有銅類材質和鋁類材質。 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，在電工和電子行業該類緊固件較為常用。 其保證應力在（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。鋁的熱傳導性約為同體積下銅傳導性能的2/3。 鋁有很好的加工特性，易于冷成型和熱鍛。其保證應力在（250～510）N/mm2。所以在航空航天和汽車工業應用較為普遍， 主要內螺紋產品種類為鉚接型式。 鉚接螺母常用材料為鋁合金材料。

1.4 鈦合金材質應用環境

鈦合金材料因其具有優異的耐腐蝕性、高的強度比、耐高溫，以及無磁性等一系列優點，在航空航天等行業工業部門獲得了廣泛應用。 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。其保證應力在（280～1450）N/mm2。 廣泛應用于航空、航天、醫療、電子等行業的重要關鍵部位。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 其他類特種材質應用環境

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。

根據上述描述不同材質的使用條件和材質特點，我們在選用內螺紋緊固件的時候可以先根據使用的環境確定內螺紋緊固件的材質種類，縮小選型范圍，再進行后續的產品選型。

2 螺母性能等級和規格選型

在螺母材料選型的基礎上， 需要進一步確認產品的性能等級和規格。性能等級決定產品的保證應力，具體規格決定極限夾緊力。 選用原則按照設計原則Fu計算公式，查出對應的性能等級和規格。

2.1 碳鋼類內螺紋緊固件的性能等級

碳鋼內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 級是對應薄型螺母的性能等級，12 級為2 型螺母的對應等級。通過標準可以查出具體規格的對應保證應力。其強度等級與螺栓等級之間關系見表1。

表1 碳鋼螺母等級與配對螺栓之間關系

根據螺母設計指南，結合工作部位的受力要求，選用合適的性能等級和規格。

2.2 不銹鋼類內螺紋緊固件的性能等級

不銹鋼內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格的對應保證應力。其強度等級與螺母類型、螺栓等級之間關系見表2。

表2 不銹鋼螺母等級與配對螺栓之間關系

根據螺母設計指南，結合工作部位的受力要求，選用合適的性能等級和規格。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螺紋緊固件產品。

2.3 有色金屬類內螺紋緊固件的性能等級

有色金屬內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格的對應保證應力。 國家標準中涉及有色金屬螺母標準與性能等級關系見表3。

表3 有色金屬螺母標準與性能等級之間關系

通過上述表格結合實際使用的受力要求，可以確定其具體性能等級和規格。等級和規格確定后可以繼續確定其具體材質牌號，相應性能等級與材質之間的關系見表4。

表4 有色金屬螺母等級與材料之間關系

2.4 鈦合金類內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材質的不同進行區分[3]，不同材質的保證應力不同。 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系見表5。

表5 常見航空緊固件用鈦合金的性能

根據螺母設計指南，結合工作部位的受力要求，選用合適的等級和規格并確認材質牌號。

2.5 其他類特種材料內螺紋緊固件的性能等級

除上述常用的不同材質緊固件， 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，根據材質的種類其保證應力參照相應標準，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。

根據上述選型規則和受力情況， 可以進一步確認產品等級和規格，有一些可確認材質大致范圍，有些可以確定具體牌號。根據螺母設計指南，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 產品標準選型

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

3.1 碳鋼類內螺紋緊固件產品對應標準

碳鋼類內螺紋緊固件的產品標準與性能等級之間的對應關系見表6。

表6 碳鋼螺母國家標準與性能等級關系

（續表6）

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

3.2 不銹鋼類內螺紋緊固件產品對應標準

不銹鋼類內螺紋緊固件的國家產品標準與性能等級之間的對應關系見表7。

表7 國家標準不銹鋼螺母產品標準與性能等級關系

根據上述國家標準與性能等級之間的對應關系，在結合安裝工作部位的要求，可以確定產品的具體標準。

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

4 表面處理狀態選型

選型中，不同的表面處理狀態可以達到不同的防腐效果和外觀要求。

4.1 碳鋼類內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]，在實際應用中根據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 不銹鋼類內螺紋緊固件產品常用表面處理

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防此類現象的發生。常用內螺紋緊固件不銹鋼材料的防腐效果：SUS316＞SUS304＞SUS302。

表8 中碳鋼內螺紋緊固件表面處理與防腐關系及應用條件

4.3 有色金屬類內螺紋緊固件產品常用表面處理

有色金屬類緊固件，因其材料本身的優異防腐性能，常規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 鈦合金類內螺紋緊固件產品常用表面處理

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]。不同表面處理根據實際的使用需求來確定。

5 結論

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

非標類內螺紋緊固件產品的選型，首先確定材料，再選用適合的性能等級和規格，根據受力安裝部位的要求，提出需求的技術要求，再選用適合產品的表面處理狀態，組成非標產品需求。