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螺絲用鋼材介紹

金屬工業研究發展中心　劉小嶺　正工程師

1.構造用鋼、合金鋼

　　隨著保護地球環境，汽車零件的高強度變化，也因此要求螺絲的高強度化，螺絲用鋼材從省略及簡化製程的觀點而有1螺絲用非調質鋼線2螺絲用硼鋼，從高強度的觀點有3高強度鋼。

　　以強度分4.8~6.3螺絲為低碳鋼(<0.25%C)系冷間壓造用線材(LJISSWRCH線材)為主流。這種強度的螺絲製造工程已相當簡化因此鋼種變更，工程省略的需求少。8.8~9.8螺絲屬於中碳鋼系(<0.4%C)使用SWRCH鋼線。通常在冷間壓造後進行淬火回火處理，由於素材的強度高，冷間壓造性低，因此必須在壓造前進行退火或球狀化退火等軟化處理。因此採用可以軟化處理的低碳冷間壓造用線材(JIS SWRCHB鋼線)。或是採用省略軟化處理及淬火回火之非調質螺絲用線材。強度在10.9螺絲，以鉻鋼、鉻鉬鋼等低合金強韌鋼為主流，成形後再淬火回火。為降低材料成本，簡化螺絲製造工程、添加微量的硼以代替高價Cr或Mo。12.9螺絲以鉻鉬鋼為主流，成形後再經淬火回火處理但是為了要避免延遲破壞而限制滲磷處理，滲磷之對策有二，第一是使用加工性佳的材料，或使用不會磷之潤滑皮膜劑。

2.非調質螺絲用線材(8.8~~9.8螺絲)

　　省略壓造前的軟化處理及壓造後的淬火回火處理可大幅降低成本。同時可以省略淬火回火後之矯直作業。但是因素材的強度高形狀複雜的零件會發生龜裂，工具的壽命也大幅降低為其缺點，改善之道如下:

1.增加冷卻壓造性。其原理是利用伸線材料雖強度高但變形抵抗低(與壓延材比較)與傳統鋼材比較，Si及固溶碳量降低並抑止加工硬化及時效硬化。
2.線材強度的不均一，利用成分的精密控制及加工後之冷卻控制以減少強度的不均一。

3. 10.9級螺絲用硼鋼
　　10.9級螺絲因延遲破壞問題未廣泛應用硼鋼，目前已發展改善延遲破壞及大幅省略工程之10.9級螺絲用硼鋼，硼鋼的特性如下:

(1) 冷間壓造性
抑制C、Si、Cr、Mo等元素的添加量(相對於SCM435)。

(2) 耐延遲破壞性
淬火加熱時沃斯田鐵結晶粗大化是傳統硼鋼耐延遲破壞性下降的原因。因此在硼鋼中加入微量的Ti，由於Ti化合物的析出具有鎖住晶粒成長的效果以防止淬火加熱時沃斯田鐵結晶粒之粗大化。又，C、P、S含量的降低也可以改善耐延遲破壞性。

4.高強度螺絲用鋼

　　高強度螺絲使用時有延遲破壞的顧慮。延遲破壞的原因為氫原子在舊沃斯田鐵粒界造成之破壞，改善延遲破壞的方法。

(1) 降低不純物。儘量減少磷、硫等不純物以及促使磷、硫偏析之Mn，以強化粒界。

(2) 結晶粒微細化。添加Ti、Nb、V使結晶微細化，強化粒界，增加鋼材的韌性。

(3) 微細碳、氮化物的析出。添加析出硬化型合金元素，在高溫回火時析出微細碳、氮化物阻止有害氫原子的擴散。

5.不銹鋼與耐熱鋼螺絲

(1) 在複雜環境中使用的螺絲要採用不銹鋼與耐熱鋼。近來由於保護地球環境，減少維護及意匠性觀點，而採用不銹鋼與耐熱鋼。另外，國際間價格競爭因而螺絲價格也要求降低成本。

圖　螺絲用不銹鋼的特性

表　最近螺絲用不銹鋼的成份

鋼種名	C	Si	Mn	Ni	Cr	Mo	N	其它
SUS410	0.1	0.4	0.4	0.1	11
YUS550	0.16	0.5	0.5	2.4	13	2	0.1
RS479	0.008	0.9	0.9	4.6	15.7		0.02	3.2Cu,0.3Nb
SUSXM7	0.01	0.8	0.8	9.5	18		0.015	3.2Cu
DSN6U	0.04	1.5	1.5	12	18		0.1
RS561	0.02	6.0	6.0	10	23		0.5
YUS271	0.01	0.6	0.6	18	20	6.3	0.2	0.7Cu

(2) 建築、土木業大量使用SUS444、SUS3117JL及SUS304，因而構造用10T螺絲，也認定使用SUS630。為降低成本而減少SUS630之適當成分而開發RS479冷作鍛造用鋼，以往外裝板的固定使用SUS410氮化處理因耐蝕性不足而開發高N，時效硬化沃斯田鐵系不銹鋼DSN6U，刀口部分的硬度可達Hv450-470。另外麻田散鐵不銹鋼可添加氮以增加其耐蝕性D410M、YUS550、QSBl6N沿海地區使用高Mo超級不銹鋼YUS270、SA-l超高氮不銹鋼RS561。

(3) 冷間加工性改善

　　SUS XM7沃斯田鐵系冷間壓造不銹鋼，C+N之含有量低於0.02%，變形抵抗低可省略伸線過程中之退火處理，而且鍛造工具的壽命增加。

(4) 耐熱螺絲用鋼

　　汽車引擎附近固定用耐熱螺絲主要使用SUH660材料，又由於能源節約，使得排氣溫度昇高，因而某些排氣相關零件改用耐熱疲勞性良好之肥粒鐵系不銹鋼，由於SUH660與肥粒鐵系不銹鋼熱膨脹的不同，而必須使用比SUH660具有更高的室溫及高溫強度，而開發成功DHN666及HRA2615耐熱鋼。這類鋼通常析出~90勺相，Ti/Al比例適當可用於700℃以下的溫度。降低SUH660之鎳含量而開發RS307、ASL116以降低成本。SUS630之Ausforming螺絲優異之延遲破壞及韌性強度可達14T。

(5) 溫間加工以降低成本

　　輕耐蝕用Ti-6A1-4V合金螺絲，主要是以切削方式製造，Capbolt可以使用溫間加工不需要切也能成形加工cost下降。

(6) 冷間鍛造用析出硬化型不銹鋼(SUS630)

　　目前在日本高強力不銹鋼螺絲在建築構造的應用逐漸增加，一般的製造方法是素材經切削加工，或熱間鍛造之後再切削加工。此乃由於SUS630在固溶化後，硬度高，因而變形抵抗高，因而不易冷間鍛造。不過最近有日本鋼鐵廠開發出冷間鍛造用SUS630Q析出硬化型不銹鋼，其在材料的關鍵點是材料的變抵抗小，而且變形能大，變形抵抗小則模具的壽命長，變形能大則可防止鍛造品的破裂。經析出硬化處理後硬度達HRc27~~38符合l0T之要求，耐熱性與SUS630相同。

表冷間鍛造用析出硬度型不銹鋼的化學組成(%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Nb
≦0.07	≦1.00	≦1.00	≦0.040	≦0.030	3.00~5.00	3.00~5.00	15.00~17.50	0.15~0.45

表冷間緞造前的硬度(參考值)

開發鋼	26~25HRC
從來鋼	33~34HRC

表高力六角螺的機械的性質

等級	降伏強度	抗拉強度	伸長度(%)	斷面收縮率(%)	硬度
10T-SUS	≧882.6	980.7~1,176.8	≧14	≧40	27~38

　　析出硬化處理:570~630°C

6.鋼錠的性質(未淨鋼、半淨鋼及全淨鋼)

　　鋼在溶融狀態時會有某種程度的含氧量。為了要除去氧，一般使用脫氧劑。依脫氧的程度分為未淨鋼(少量脫氧)，半淨鋼(中等脫氧)，全淨鋼(完全脫氧)。從鋼凝固後鋼塊的縱斷面可瞭解未淨鋼含多量氣泡，半淨鋼只有在鋼塊頂部有氣泡，全淨鋼則完全沒有氣泡而有很大的縮孔。比較各鋼塊偏析的程度，以未淨鋼的偏析最大，而且鋼塊愈大者偏析愈大。比較各種脫氧鋼的脆性轉移溫度，以Al全淨鋼最低。若以鋼材的成分分析，未淨鋼C>0.25、Si<0.03、Mn<0.60、半淨鋼Si<0.20、全淨鋼Si在0.15~~0.35之間，或是以Al脫氧。
一般熱處理級構造用鋼均為全淨鋼。