Dzień dobry
Szukam pomocy w doborze odpowiedniego gatunku (materiału) śrub do skręcenia / montażu tłumika w samochodzie terenowym (4WD), zarówno samej rury wydechowej i tłumika (woda, sól drog., wysoka temperatura) jak i mocowanie uchwytów do karoserii / ramy (sól drogowa, woda, środki konserwujące). Chodzi mi głównie o to, aby w przyszłości, przy następnej wymianie (elementu) wydechu, można będzie, bez urywania śrub a co za tym idzie rozwiercania i nowego gwintowania stacjonarnych nakrętek w karoserii, podwoziu czy ramie, bez większych problemów odkręcić takie złącze. Ponieważ rozmawiamy tu o „samochodówce” ważna jest tu naturalnie też wytrzymałość tych śrub; klasa od 8.8 wzwyż Ważny jest też drobnozwojowy skok gwintu. Czy stal A2 (304) reaguje z solą (drogową) co może ją dyskwalifikować z zastosowania w podwoziu samochodu ???
Za szybką i wyczerpującą odpowiedź w tym temacie z góry serdecznie dziękuję !!!
W opisanym zastosowaniu należy przede wszystkim rozdzielić mocowania tłumika i jego uchwytów do podwozia od połączeń znajdujących się w gorącej części układu wydechowego. Warunki pracy tych elementów są odmienne, dlatego nie należy stosować jednego rodzaju śrub we wszystkich miejscach.
Stal nierdzewna A2 czy A4
Stal A2, odpowiadająca zasadniczo grupie AISI 304, może być stosowana w warunkach atmosferycznych. Jednak przy długotrwałym kontakcie z wodą zawierającą chlorki pochodzące z soli drogowej może być podatna na lokalną korozję wżerową i szczelinową. Szczególnie niekorzystne są miejsca, w których wilgoć i osady soli mogą długo zalegać, np. gwinty, powierzchnie pod podkładkami, szczeliny oraz połączenia osłonięte przed naturalnym spłukiwaniem. Z tego względu, jeżeli podstawowym wymaganiem jest wieloletnia odporność na działanie soli drogowej, korzystniejszym wyborem jest stal A4 zamiast A2. Stal A4, odpowiadająca grupie AISI 316, zawiera molibden, który zwiększa odporność na korozję lokalną w środowiskach chlorkowych [1,2].
Czy zamiast śruby klasy 8.8 można zastosować A4-80
Śruba A4-80 ma minimalną wytrzymałość na rozciąganie Rm = 800 MPa i pod tym względem jest zbliżona do śruby klasy 8.8. Nie jest jednak jej dokładnym odpowiednikiem pod względem całego zestawu właściwości mechanicznych, w szczególności granicy plastyczności [1]. Z tego względu nie należy automatycznie zastępować śrub klasy 10.9 elementami A4-80. Jeżeli producent pojazdu przewidział w danym miejscu klasę 10.9 ze względów konstrukcyjnych, wymaganie to powinno zostać zachowane. Natomiast w połączeniach, w których fabrycznie stosowana jest klasa 8.8 i które nie mają krytycznego znaczenia dla bezpieczeństwa konstrukcji pojazdu, A4-80 może stanowić uzasadnione rozwiązanie o podwyższonej odporności korozyjnej.
Jakie rozwiązania stosuje się w przemyśle samochodowym
W seryjnej produkcji samochodów powszechnie stosowane są śruby klasy 8.8 lub 10.9 ze stali węglowych lub stopowych, zabezpieczone odpowiednimi powłokami przeciwkorozyjnymi. Do bardziej skutecznych rozwiązań należą obecnie nieelektrolityczne powłoki cynkowo-płatkowe Zn/Al typu flZn, szeroko stosowane w przemyśle motoryzacyjnym [3]. Rozwiązania stosowane w produkcji seryjnej są jednak wynikiem kompromisu pomiędzy odpornością korozyjną, właściwościami mechanicznymi, kontrolą współczynnika tarcia podczas montażu, wydajnością produkcji i kosztem jednostkowym.
W przypadku użytkownika indywidualnego kryteria mogą być inne. Przy wymianie kilku lub kilkunastu elementów złącznych koszt jednostkowy śruby ma znacznie mniejsze znaczenie niż w produkcji wielkoseryjnej. Możliwe jest zatem zastosowanie droższego rozwiązania, jeżeli zapewnia ono większą trwałość i ogranicza ryzyko problemów podczas późniejszego demontażu.
Z tego względu w chłodniejszych miejscach podwozia, intensywnie narażonych na wodę i sól drogową, zastosowanie A4-80 może być korzystnym rozwiązaniem, o ile spełnione są wymagania dotyczące wytrzymałości połączenia.
Gdzie można zastosować A4-80
Stal A4-80 może być szczególnie korzystna w takich zastosowaniach jak:
- mocowania tylnego tłumika,
- obejmy układu wydechowego,
- uchwyty mocowane do podwozia,
- połączenia w tylnej, chłodniejszej części układu wydechowego,
- elementy silnie narażone na wodę, błoto i sól drogową.
W takich warunkach stal A4 ma istotną przewagę pod względem odporności korozyjnej zarówno nad gatunkiem A2, jak i nad typową śrubą jedynie ocynkowaną.
Jeżeli śruba nierdzewna jest wkręcana w stalową nakrętkę przyspawaną do ramy lub karoserii, należy jednak pamiętać, że zastosowanie śruby A4 nie zabezpiecza samej nakrętki przed korozją. W takim przypadku wskazane jest dodatkowe zabezpieczenie gwintu oraz obszaru połączenia przed wnikaniem wody i solanki.
Zabezpieczenie przed zatarciem gwintu
Istotnym zagadnieniem przy stosowaniu elementów z austenitycznych stali nierdzewnych jest ich stosunkowo duża podatność na zacieranie gwintu (galling) [6]. Z tego powodu śruby A2 i A4 nie powinny być montowane bez odpowiedniego przygotowania połączenia, szczególnie gdy zarówno śruba, jak i nakrętka są wykonane ze stali nierdzewnej. Wskazane jest zastosowanie odpowiedniego środka przeciwzatarciowego typu anti-seize, dobranego do materiałów oraz temperatury pracy. W pobliżu układu wydechowego powinien to być preparat przeznaczony do podwyższonej temperatury, np. ceramiczny lub odpowiedni preparat na bazie niklu. Należy jednocześnie pamiętać, że zastosowanie środka smarnego zmniejsza współczynnik tarcia w gwincie. Powoduje to zmianę zależności pomiędzy momentem dokręcania a siłą napięcia śruby. Momentu dokręcania określonego dla suchego gwintu nie należy zatem bezpośrednio stosować do połączenia smarowanego.
Gorąca część układu wydechowego
Elementy złącze klasy A4-80 nie powinny być traktowane jako uniwersalne rozwiązanie dla całego układu wydechowego. W rejonie kolektora wydechowego, turbosprężarki oraz katalizatora występują znacznie wyższe temperatury niż przy tłumiku końcowym. Połączenia są tam dodatkowo poddawane wielokrotnym cyklom nagrzewania i chłodzenia.
W takich miejscach przemysł samochodowy stosuje m.in. specjalne stalowe szpilki, nakrętki miedziowane oraz elementy złączne ze stopów przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze [7]. W gorącej części układu wydechowego zalecane jest zatem zachowanie rozwiązania materiałowego przewidzianego przez producenta pojazdu lub zastosowanie specjalistycznych elementów wysokotemperaturowych.
Zalecane rozwiązania
Dla poszczególnych obszarów można przyjąć następujące zalecenia:
Mocowania tłumika do ramy i karoserii: A4-80, jeżeli fabrycznie wymagana jest wytrzymałość odpowiadająca w przybliżeniu klasie 8.8, a połączenie nie ma krytycznego znaczenia konstrukcyjnego.
Miejsca, w których fabrycznie zastosowano śruby klasy 10.9: należy zachować wymaganą klasę 10.9. Korzystnym rozwiązaniem są elementy z wysokiej jakości powłoką cynkowo-płatkową.
Obejmy i połączenia tylnej, chłodniejszej części układu wydechowego: A4-80, z odpowiednim zabezpieczeniem gwintu przed zatarciem.
Kolektor wydechowy, turbosprężarka i najgorętsza część układu: oryginalne lub specjalistyczne szpilki, śruby i nakrętki przeznaczone do pracy wysokotemperaturowej.
Gwint drobnozwojowy nie stanowi przeciwwskazania do zastosowania A4-80, pod warunkiem dostępności odpowiedniego elementu złącznego oraz zachowania wymaganej wytrzymałości połączenia.
Podsumowując stal A2 nie jest najlepszym wyborem do elementów złącznych podwozia samochodu regularnie narażonego na działanie soli drogowej. W takich warunkach większy zapas odporności korozyjnej zapewnia stal A4. W przypadku użytkownika indywidualnego, dla którego koszt kilku lub kilkunastu śrub ma drugorzędne znaczenie w porównaniu z trwałością połączenia i możliwością jego późniejszego demontażu, A4-80 może być bardzo dobrym rozwiązaniem dla chłodniejszych połączeń podwozia i tylnej części układu wydechowego. Nie należy jednak zastępować nią elementów klasy 10.9 ani specjalnych elementów przeznaczonych do pracy w wysokiej temperaturze. Niezależnie od wybranego materiału o trwałości połączenia decyduje nie tylko odporność korozyjna samej śruby. Istotne są również materiał nakrętki, ochrona gwintu przed dostępem soli i wilgoci, zabezpieczenie przeciwzatarciowe oraz prawidłowy sposób dokręcenia połączenia.
Literatura i źródła
[1] Bossard Group, Stainless Steel Fasteners – Materials, Screws and Nuts. Charakterystyka materiałów A2, A4 i klas właściwości mechanicznych elementów złącznych.
[2] Stalenierdzewne.pl, Elementy złączne z A4 pokrywają się korozją.
https://www.stalenierdzewne.pl/2017/11/28/elementy-zlaczne-z-a4-pokrywaja-sie-korozja/
[3] ISO 10683:2018, Fasteners – Non-electrolytically applied zinc flake coating systems.
https://www.iso.org/standard/70609.html
[4] Przykładowa oferta detaliczna elementów złącznych A4-80.
https://allegro.pl/listing?string=%C5%9Bruba+a4+80+m10
[5] Przykładowa oferta śrub klasy 8.8 z powłoką przeciwkorozyjną.
https://www.ceneo.pl/179716694
[6] Bossard Group, Galling of Stainless Steel Fasteners.
[7] SAE International, High Temperature Materials for Exhaust Manifolds, SAE J2515.
https://saemobilus.sae.org/standards/j2515_201712-high-temperature-materials-exhaust-manifolds
Materiały uzupełniające na portalu Stalenierdzewne.pl
Elementy złączne ze stali nierdzewnej – na co zwrócić uwagę podczas ich stosowania
Własności mechaniczne elementów złącznych ze stali nierdzewnych
Układy wydechowe ze stali odpornych na korozję
https://www.stalenierdzewne.pl/2010/03/11/uklady-wydechowe-ze-stali-odpornych-na-korozje/
