裂掉的「不鏽鋼」閥門螺栓:鉻 9%、錳 16%,規格欄寫著 Not available

一座石化廠的消防系統裡,雨淋閥閥蓋的螺栓在使用中斷裂。2025 年發表在 Scientific Reports 的失效分析把它們送去做光譜:錳 15.8%、鉻 9.10%、銅 1.70%,沒有鎳;拿沒用過的新品去驗,成分也一樣。ISO 3506-1 對不鏽鋼的定義是鉻至少 10.5%。論文服役條件表的第一列,螺栓、螺帽、墊圈的材料寫著「Not available」。閱讀約 6 分鐘。

灰色閥蓋法蘭與六角螺栓,前景螺栓頭下有紅色裂縫

送來的七支螺栓

這些螺栓鎖在一具 6 吋 OS&Y 閘閥的閥蓋上,閥門是廠內消防灑水系統的一部分,閥體是 ASTM A126 Class B 灰鑄鐵, 閥蓋上一共 4 支螺栓。周圍是潮濕帶鹽分的海洋性空氣,冷卻水的氯離子接近 300 ppm 的上限。

研究者收到 7 支樣品:2 支在頭下圓角處斷掉,2 支在同一個位置裂開,3 支看起來完好。 頭、墊圈與螺帽塗著紅漆,桿部覆著一層深褐色的鏽。

成分表上的四個數字

螺栓化學成分(wt.%,論文表 2,光譜分析)
CMnSiPSCrCuFe
0.03515.80.240.060.0059.101.70餘

錳 15.8%、鉻 9.10%、銅 1.70%,表上沒有鎳。螺帽是錳 14%、鉻 11%,墊圈是錳 14%、鉻 13%。 論文把這種材料歸為 TWIP 鋼,也就是靠變形孿晶強化的高錳沃斯田鐵鋼,屬於先進高強度鋼的一類。

ISO 3506-1:2020 第 3.5 條對不鏽鋼的定義是:鉻至少 10.5%、碳最多 1.2% 的鋼。 9.10% 不到這條線。螺帽的 11% 與墊圈的 13% 過了,螺栓本身沒有。 同一篇論文的建議段落,還是把這類零件叫做「高強度不鏽鋼零件」。

規格欄:Not available

論文的表 1 是服役條件,第一列「螺栓、螺帽與墊圈」的材料寫著 Not available;應力那一列也一樣。 研究者拿到的是零件,不是規格。他們用來判斷材料的唯一依據,是自己做的光譜分析; 而沒裝上去的新品驗出同樣的成分,表示這不是使用中變質,是買進來就是這樣。

這件事放在扣件採購裡看,比放在冶金裡看更有用。一張沒有寫標準與等級的訂單,收到什麼都不算錯, 因為沒有東西可以拿來對。本站在 白鐵是不鏽鋼嗎 寫過,「白鐵」這個詞本身就指向不只一種材料;這篇論文是一個外觀像不鏽鋼、成分卻在定義之外的實例。

裂紋從哪裡開始

裂紋都在同一個地方:頭下圓角與頸部,起點是腐蝕坑。腐蝕坑長在頭部與下方墊圈、螺帽之間的縫隙裡, 潮濕的鹽分在那裡累積;論文也寫到鑄鐵閥體作為較不貴重的金屬,同時發生電偶腐蝕。 裂紋垂直於鎖緊造成的拉應力方向往內長。

頭下圓角也是硬度最高的地方。冷鍛成形後沒有熱處理,頭部表面約 435 HV、圓角高應力處約 470 HV, 桿心只有約 225 HV。斷口同時有延性窩穴、準解理與沿晶裂紋,論文的結論是 氫脆輔助的氯化物應力腐蝕開裂。 拉伸試驗的降伏強度 514 MPa、抗拉強度 690 MPa。

縫隙、頭下圓角、最硬的那一圈,這三件事疊在同一個位置。 同一天本站寫的 福斯轉向螺栓召回, 依報導斷的也是頭部,起因也是濕氣滲進螺栓周圍。

論文給的三條建議

一、在海洋環境選材時,要考慮氯化鈉對高強度不鏽鋼零件的影響。 二、每一支螺栓都要有適當的預力,沒有控制會導致疲勞裂紋與微動磨損,也可能鎖過頭。 三、可以考慮頭下圓角半徑較大的螺栓。

從買方的角度,還可以多加一條:訂單上要寫標準與等級,例如 ISO 3506-1 的 A4-70, 收貨時要求材質證明(材質證明怎麼看), 有疑慮就做成分分析。這一條不是論文寫的,是從「Not available」那一格推出來的。

這一頁不能下的結論

論文沒有寫這批螺栓的製造商與來源,本頁也不推測。690 MPa 本頁沒有拿去比任何不鏽鋼等級, 因為論文沒說它是依哪個等級買的。這是單一案例,不能推論台灣市場上「白鐵」螺絲的成分分布。 ISO 3506-1 的成分表在預覽之外,本頁只引第 3.5 條的定義。

這一篇屬於第 6 步,文件。完整的順序是母材、牙、頭型、驅動、表面處理、文件;至於為什麼順序做反了是重工而不是微調,見指定一顆螺絲。

常見問題

鉻 9% 的螺栓算不算不鏽鋼?

依 ISO 3506-1:2020 第 3.5 條,不鏽鋼是鉻至少 10.5%、碳最多 1.2% 的鋼,所以鉻 9.10% 不在定義內。這篇失效分析把該材料歸類為高錳的 TWIP 鋼(錳 15.8%、銅 1.70%、沒有鎳),但論文的建議段落仍稱之為高強度不鏽鋼零件。

這些閥門螺栓為什麼會裂?

依論文,裂紋起於頭部與下方墊圈、螺帽之間縫隙裡的腐蝕坑,位置在頭下圓角與頸部;那裡累積了海洋性空氣的鹽分,鑄鐵閥體也有電偶腐蝕。頭下圓角冷加工後硬度約 470 HV,是全支最硬的地方。結論是氫脆輔助的氯化物應力腐蝕開裂。

怎麼避免買到成分不對的螺栓?

訂單寫清楚標準與等級,例如 ISO 3506-1 A4-70,收貨要求材質證明,有疑慮就做成分分析。這篇論文的服役條件表裡,螺栓材料寫的是 Not available,研究者只能事後用光譜分析判斷。

參考資料

論文全文由本站讀過,表 1、表 2、硬度、拉伸與結論段的數字照原文。這篇論文是由昱拓的論文收集器在 2026-10-02 撈到(以 fastener corrosion 為關鍵字,開放全文)。ISO 3506-1 只引第 3.5 條的定義,成分表不在公開預覽內。

詢價

詢價不鏽鋼螺栓時,請寫明標準與等級(例如 ISO 3506-1 A4-70)、使用環境(是否有氯化物、是否接觸鑄鐵或鋁), 以及是否需要材質證明或成分分析報告。

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