ステンレス鋼ボルトのグレード: 合金、ISO 3506、ASTM 規格の説明

間違ったステンレス鋼ボルトのグレードの選択は、ファスナーの仕様において最も一般的で、最もコストがかかる間違いの 1 つです。正しいボルトと同じように見えるボルトでも、海洋環境では数か月以内に腐食したり、取り付け中に永久に固着したり、高温用途で負荷がかかると破損したりする可能性があります。その理由は、「ステンレス鋼ボルトのグレード」は実際には 2 つの異なる寸法を指しており、両方とも用途に適合させる必要があるためです。 合金グレード (耐食性と温度性能を決定する鋼の化学組成) 強度クラス (耐荷重能力を決定する製造後の機械的特性)。両方を理解すること、そしてそれらが国際規格でどのように定義されているかを理解することは、信頼性の高いファスナー仕様の基礎となります。

ボルトにステンレス鋼のグレードが重要な理由

ステンレス鋼の留め具は、生の強度ではなく、主に耐食性を理由に選択されます。同じ直径の炭素鋼ボルトは、通常、引張強度においてステンレスよりも優れていますが、湿った環境、化学的環境、または海洋環境では急速に腐食します。ステンレス鋼の耐食性はクロムに由来します。少なくとも 10.5% のクロム含有量により、表面に薄い自己修復クロム酸化物層が形成され、金属が酸化に対して不動態化されます。亜鉛コーティングや塗料とは異なり、この不動態層は素材に固有のものであり、取り付け中にボルトに傷を付けても除去されません。

ただし、すべてのステンレス鋼がすべての環境で同等に機能するわけではありません。 等級が定義されていない「ステンレス鋼」と指定されたボルトは、不完全な仕様となります。 304 ボルトと 316 ボルトの違いは目には見えないかもしれませんが、塩化物が豊富な沿岸または沖合の環境では、一方は数十年持続しますが、もう一方は数年以内に腐食します。同様に、同じ合金グレードの 2 つのボルト (たとえば、両方とも 316) は、強度クラスの指定に応じて、引張強度が 30% 以上異なる場合があります。

ステンレス鋼の御三家

ステンレス鋼は単一の材料ではなく、鉄とクロムの合金の一種であり、合金元素と熱処理によって決定される微細構造特性が機械的特性と腐食特性を定義します。ボルトの場合、3 つのファミリーが関連します。

産業、船舶、建設、化学締結用途の大部分に、 オーステナイト系ステンレス鋼が標準的な選択肢です 。耐食性、溶接性、製造特性の組み合わせにより、世界のファスナー生産において主要な製品となっています。マルテンサイト系グレードは、刃物ねじや特定の工具用途など、高い硬度が要求され、腐食要求が中程度である場合に使用されます。フェライトグレードは、耐食性が低く、強度が限られているため、構造用ボルトに指定されることはほとんどありません。

一般的なステンレス鋼ボルトの合金グレード

オーステナイト系の中で、いくつかの特定の合金グレードがファスナーの生産を支配しています。それぞれが耐食性、強度、コスト、機械加工性の異なるバランスを表しています。

グレード 304/18-8

グレード 304 は世界で最も広く使用されているステンレス鋼で、汎用ファスナーの標準合金です。その組成（約 18% クロムと 8% ニッケル）は、北米市場で今でも広く使用されている「18-8」という名称の由来です。グレード 304 は、ほとんどの大気、淡水、および穏やかな化学環境で優れた耐食性を発揮します。建築、食品加工装置、建築金物、自動車のトリムなどに広く使用されています。その制限は、塩化物が豊富な環境に対する影響を受けやすいことです。海洋大気、塩水、または氷結防止塩にさらされると、時間の経過とともに孔食や隙間腐食が発生する可能性があります。 ISO 相当のメートル法は A2 です。

グレード 316 / 316L

グレード 316 は、304 組成に 2 ～ 3% のモリブデンを添加しており、塩化物孔食や隙間腐食に対する耐性が大幅に向上しています。 これは、316 を標準の「船舶用」ステンレス鋼にする決定的なアップグレードです。 これは、海洋プラットフォーム、海岸構造物、化学処理、製薬機器、および塩化物、酸、または還元性化学物質を含むあらゆる環境向けに仕様化されています。グレード 316L は、溶接アセンブリにおける鋭敏化と粒界腐食のリスクを軽減する低炭素バージョン (標準 316 の炭素含有率 0.08% に対して最大 0.03%) です。 ISO 相当のメートル法は A4 です。

グレード303

グレード303 is a free-machining variant of 304, with sulfur or selenium added to improve machinability and chip breakage during high-speed CNC turning. This makes it popular for precision-machined fasteners and screw machine products. The trade-off is slightly reduced corrosion resistance compared to 304, particularly in weld zones. Grade 303 should not be used where continuous immersion or aggressive chemical exposure is expected.

グレード310S

グレード310S contains approximately 25% chromium and 20% nickel, giving it exceptional oxidation resistance at elevated temperatures — up to 1,100°C for intermittent service. It is specified for high-temperature bolting in furnaces, kilns, heat treatment equipment, and exhaust systems where standard austenitic grades would rapidly oxidize or lose strength.

デュプレックス グレード 2205

二相ステンレス鋼は、その微細構造にオーステナイトとフェライトがほぼ同じ割合で含まれていることからこのように名付けられ、標準のオーステナイト系グレードのほぼ 2 倍の引張強度を備え、塩化物応力腐食割れに対する優れた耐性を備えています。グレード 2205 (UNS S32205) は最も広く使用されている二相グレードで、標準 316 では不十分であることが証明されている石油およびガス、海洋、海底、および淡水化用途での指定が増えています。強度が高いため、重量が重要な設計ではファスナーの直径を小型化でき、耐塩化物性があるため、海水への永久浸漬、つまり 316 が最終的に穴があいて破損するような用途に適しています。

ISO 3506 強度クラス: A2-50、A2-70、A4-70、A4-80

ISO 3506 は、ステンレス鋼ファスナーの合金グループと機械的強度クラスの両方を単一のコンパクトな名称で定義する国際規格です。コード構造を理解することは、ファスナー証明書、図面、調達文書を解釈するために不可欠です。

指定システムでは、文字-数字-数字の形式が使用されます。文字番号の接頭辞により合金グループが識別されます。 A1 自由加工材種（303タイプ）に対応。 A2 標準オーステナイトグレード (304 タイプ) に対応します。 A4 モリブデン含有オーステナイト系グレード（316タイプ）に対応します。 2 番目の数字は、最小引張強さを 10 MPa 単位で示します。つまり、A2- 70 は最小引張強さ 700MPa を意味し、A4- 80 は800MPaを意味します。

-50 と -70 の接尾辞の強度の差は、オーステナイト系ステンレスには適用できない熱処理ではなく、製造時の冷間加工によって実現されます。これは重要な違いです。A2-70 とマークされたボルトは、同じベース合金から A2-50 よりも高い強度レベルまで冷間加工されています。ほとんどの構造的および機械的用途では、 A2-70 および A4-70 はベースライン仕様です 。 A4-80 は、腐食環境でより高いクランプ力が必要な場合に指定されます。これらのグレードを特に六角ボルトの選択に適用するための詳細なガイダンスについては、当社の製品を参照してください。 ステンレス製六角ボルトガイド .

ASTM 規格: B8、B8M、および F593

北米市場、および ASME の圧力容器または配管規定によって管理されるプロジェクトでは、ステンレス鋼ボルトは ISO 3506 ではなく ASTM 規格に基づいて指定されることがよくあります。エンジニアリング図面や調達仕様書には 3 つの指定が最も一般的に表示されます。

A193 と A320 の主な違いは、使用温度範囲にあります。A193 B8 は、圧力容器およびフランジ付き配管システムの高温用途向けに指定されています。 A320 B8 は同じ合金をカバーしますが、特に低温でのノッチ靱性を検証する必要がある極低温および氷点下での使用に適しています。どちらも超硬溶体化焼きなましが必要で、特定のヘッドマーキング要件があります。鍛造六角ボルトにはメーカーの識別マークとともに「B8」または「B8M」の刻印が必要です。 ASTM F593 は、構造用途の頭付きファスナーに適用され、さまざまな冷間加工レベルとそれに関連する強度レベルに対応する 4 つの条件クラスが含まれています。

かじり: ステンレス製ファスナーの隠れたリスク

かじりは、ボルトの締め付け時に発生するように、圧力下で 2 つのステンレス鋼の表面が互いにスライドするときに発生する凝着摩耗の一種です。ステンレスに耐食性を与える不動態酸化クロム層も、ねじ山の係合時の高い接触圧力と摩擦熱によって破壊される傾向があります。これが起こると、生の金属表面が瞬間的に互いに溶接され、一方の表面から金属が引き裂かれ、もう一方の表面に堆積します。その結果は、ねじ山の粗い損傷から完全な焼き付きまで多岐にわたります。つまり、ナットとボルトが結合し、破壊せずに分離することは不可能です。

かじりはオーステナイト材種 (特に 304 および 316) で最も一般的です。これは、オーステナイト材の硬度が比較的低く、滑り中に加工硬化する傾向があるためです。ボルトとナットの両方が同じグレードである場合、リスクはさらに高まります。 実際の予防策には次のようなものがあります。

• 組み立て前に、かじり防止潤滑剤 (ニッケルベースの焼き付き防止剤、二硫化モリブデンペースト、または PTFE ベースのねじ山潤滑剤) をすべてのねじ山に塗布します。
• 高速のエアインパクトツールを使用するのではなく、ゆっくりと安定した速度で締め付けます。
• 可能であれば、異なる硬度レベルのファスナー コンポーネントを組み合わせます。たとえば、高強度クラスのナットと標準クラスのボルトを使用すると、合わせ面間の硬度の差が大きくなります。
• 転造ねじの表面はより滑らかで、転造プロセス中に加工硬化され、感受性が低下するため、カットねじではなく転造ねじを指定します。

一般的な誤解に反して、316 ボルトと 304 ナットの組み合わせ (またはその逆) ではかじりを確実に防止できません。これら 2 つのグレード間の硬度の差は不十分です。完全にかじりを防止するには、潤滑、有意な硬度差、または嵌合コンポーネントの 1 つに異なるファスナー材料の使用のいずれかが必要です。

適切なステンレス鋼ボルトのグレードを選択する方法

グレードの選択には、環境、機械的負荷、適用される規格、総所有コストという 4 つの主要な変数に対してアプリケーションを評価する必要があります。

ステップ 1 — 腐食環境を定義する

化学薬品にさらされない屋内または保護された大気環境でのサービス: グレード 304 / A2 で十分です。雨、湿気、または穏やかな工業雰囲気への屋外暴露: グレード 304 / A2-70。海岸の場所、海洋大気、または断続的な海水接触: グレード 316 / A4。海水、濃塩化物、または攻撃的な酸への直接浸漬: 長期使用にはグレード 316L / A4、または両面印刷 2205。 600℃を超える高温酸化環境: グレード 310S。

ステップ 2 — 機械的負荷要件を決定する

ISO 3506 の強度クラスを、ジョイント設計で計算されたクランプ力および引張荷重に合わせてください。ほとんどの重要でない構造用途では、A2-70 または A4-70 が適切なベースラインです。腐食環境でより高い予圧が必要な場合は、A4-80 を指定してください。 ASME が管理する圧力機器または低温サービスの場合は、該当する場合は ASTM A193 B8 / B8M または A320 B8 / B8M を指定してください。

ステップ 3 — 該当する規格を確認する

ヨーロッパまたは国際標準によって管理されるプロジェクトでは、通常、ISO 3506 指定が指定されます。 ASME B31、ASME VIII (圧力容器)、または構造用鋼規格によって管理される北米のプロジェクトは通常、ASTM 規格を参照します。注文する前にどのシステムが適用されるかを確認してください。合金は同等である可能性がありますが、認証文書、ヘッドマーク、およびテスト要件が異なります。 Jiangsu Jiajie は GB、DIN、ISO 規格に準拠したファスナーを製造しており、輸出プロジェクトのリクエストに応じて材料試験証明書を提供できます。特定のアプリケーション要件の適合に関する質問については、右を参照してください。 ステンレス鋼の六角ナット 当社の製品範囲からのボルトやボルトについては、当社のエンジニアリング チームが 12 時間以内に対応します。

ステップ 4 — かじりのリスクと設置条件を考慮する

アセンブリを高トルクで締め付ける場合、または定期的に分解する必要がある場合は、取り付け手順の一部として焼き付き防止潤滑を指定し、転造ネジ留め具の指定を検討してください。化学プラントのメンテナンス フランジなど、定期的に分解する必要があるアセンブリの場合、摩耗して切断する必要があるファスナーの長期コストは、高級潤滑またはコーティング仕様の初期コストよりも大幅に高くなります。