不锈钢螺纹连接咬死机理及预防措施

不锈钢螺纹连接因为不容易生锈、耐腐蚀、具有金属光泽等优点,应用非常普遍。与碳钢螺栓相比,不锈钢螺栓在安装和拆卸的过程中容易发生咬死现象。咬死轻则引起螺栓拆卸困难,重则造成螺栓无法拆卸,需要采用切割等破坏性手段将螺栓取出。不锈钢螺纹咬死现象在车辆生产过程中时有发生,这会对正常的生产造成严重影响,因此有必要对不锈钢螺纹连接的咬死机理及改善方法进行研究。

 

目前对不锈钢螺纹连接咬死机理的认识几乎都来自于对现场情况的观察。据发现,螺纹连接咬死后,内外螺牙都出现严重磨损,而咬死前后螺牙的金相组织没有变化。这说明螺牙磨损是不锈钢螺纹连接发生咬死的主要原因之一。螺牙间先发生黏着磨损,随着磨损  程度的加深,摩擦热产生的局部高温将螺牙局部焊死,导致咬死现象发生。还有研究者认为不锈钢螺牙表面存在一层厚度为5~10μm的氧化膜,氧化膜在螺纹预紧过程中发生破坏并产生较硬的颗粒,这导致螺牙间发生黏着磨损。磨损产生的磨屑在螺牙上堆积,阻塞了螺牙的旋入和旋出,最终导致螺纹咬死。可见,虽然研究人员都认为磨损对不锈钢螺纹咬死的发生有重要的影响,但是对咬死机理的认识不统一。一部分观点认为螺牙间发生的局部焊接导致咬死,另一部分观点则认为磨屑阻塞导致咬死。对于咬死现象的预防措施,研究人员根据现场的实际经验提出了一些参考方法,如螺栓螺母选用不同材质的不锈钢、预紧前清洁螺栓、螺牙润滑和控制旋入速度等。以上的咬死机理和改善措施均都来自于对现场情况的观察,这些机理并没有得到有效的试验验证。因此,本文通过开展不同条件下的螺栓咬死试验分析了不锈钢螺栓的咬死机理,提出了不锈钢螺栓咬死的预防措施。

 

一、试验部分

 

1.1、试验材料

 

本研究对06Cr19Ni10 不锈钢螺栓和螺母进行咬死试验。螺栓与螺母规格为M10,螺距为1.5 mm。螺栓与螺母材料的抗拉强度不低于700 MPa,屈服强度不低于450 MPa。本研究使用PMMA 粘结液对部分试验螺栓进行涂胶处理。PMMA 粘结液是一种专门研制的不锈钢螺纹连接防咬死及防松动胶水。该胶水以有机硅化物为抗咬死剂,以烯酸酯类为防松动剂,并添加了金属偶联剂。

 

1.2、咬死试验

 

试验采用图1 所示的装置,试验工装底部开有正六边形盲孔,与M10 螺栓的头部配合,达到固定螺栓的目的。

 

图1 松动试验装置

 

试验过程中利用垫块( 45#钢) 模拟实际工况中的被夹持件,垫块与螺母间装有预紧力传感器,可实时测量预紧和拆卸过程中预紧力的变化。传感器与螺母间增加了平垫圈,以减少螺母对传感器的磨耗。

 

试验中对不锈钢螺栓进行反复预紧与拆卸,直至咬死现象发生。若反复预紧与拆卸40 次后还未发生咬死,则试验终止。所有试验的预紧扭矩均设定为30 N·m,预紧力保持时间约为5 s。咬死试验在3 种条件下进行: 慢速预紧与拆卸、快速预紧与拆卸、涂胶后快速预紧与拆卸。慢速预紧与拆卸所使用的工具为数显式手动扭矩扳手( 量程为0~100 N·m,精度为0. 1 N·m) ,快速预紧与拆卸所使用的工具为英格索兰电动扭矩扳手( 型号: W5152) 。在一次预紧过程中,两种预紧方式达到预定扭矩所需时间的示意图见图2。

 

图2 两种预紧方式达到预定扭矩所需时间的示意图

 

在慢速预紧与拆卸的条件下,预紧及拆卸速度较慢,所需时间较长; 在快速预紧与拆卸的条件下,由于电动扭矩扳手转速快,预紧及拆卸所需的时间非常短。为了保证试验结果的可靠性,每种条件下的咬死试验均进行了多次重复试验。

 

试验终了时,使用手持式红外温度测量仪( 型号为TAITAN T450C,精度为0. 1 ℃) 测量螺栓顶部温度( 见图1) 。使用扫描电镜( SEM,JSM-6610LV)观察试验后螺牙的损伤形貌。

 

二、试验结果

 

2.1、预紧次数和试样温度

 

螺栓咬死试验的试验结果见表1。在慢速预紧与拆卸的条件下,反复预紧和拆卸40 次后,所有螺栓均未发生咬死,试验结束时的螺栓顶部温度介于25~26 ℃。在快速预紧与拆卸的条件下,所有螺栓均发生咬死,发生咬死所需的预紧次数从16 ~ 20 次不等,试验结束时的螺栓顶部温度高达90 ~ 106 ℃。在涂胶后快速预紧与拆卸的条件下,反复预紧和拆卸40 次后,所有螺栓均未发生咬死,试验结束时的螺栓顶部温度介于30~34 ℃。

 

 

2.2、预紧力

 

本研究对不同条件下的咬死试验均进行了重复试验。在不同条件下,典型的预紧力随试验时间变化曲线见图3。

 

图3 不同试验条件下预紧力随试验时间变化曲线

 

螺栓预紧力与预紧扭矩、螺牙尺寸和形状、螺牙表面粗糙度和洁净程度等诸多因素有关。每次预紧与拆卸都会使螺牙表面产生磨损,导致内外螺纹间的摩擦系数发生变化。因此,每个试验条件下的预紧力均随着预紧和拆卸次数的变化而变化。从图3可看出,在慢速预紧与拆卸和快速预紧与拆卸的条件下,螺栓的平均预紧力都近似为10. 5 kN; 在涂胶后快速预紧与拆卸的条件下,螺栓的平均预紧力近似为13 kN。可见,预紧与拆卸速度对螺栓预紧力没有影响,而涂胶明显提高螺栓预紧力。这是由于涂胶后螺牙间的摩擦系数减小,在施加相同预紧扭矩的情况下,螺栓产生的预紧力增加。

 

2.3、咬死试样的损伤分析

 

2.3.1、螺牙损伤形貌观察

 

为了探明不锈钢螺栓发生咬死的原因,利用线切割机将发生咬死的试样沿着螺栓轴线切开,见图4a) ,对咬死后螺牙损伤形貌进行观察。内外螺纹连接处在激光共聚焦显微镜下的形貌,见图4b) 。可见,内外螺牙均发生严重磨损,有的螺牙在高度方向上磨掉约70%,并且磨屑在配合螺牙间堆积,成为一个整体。

 

图4 咬死后的螺牙损伤形貌观察( 5#试样)

 

图5 咬死试样内外螺牙表面形貌观察

 

将剖切试样的螺栓部分与螺母部分分离,螺栓和螺母的典型损伤形貌见图5。可见,螺栓与螺母都发生严重磨损,螺牙存在撕裂现象。磨屑在螺牙间堆积,对螺纹的旋入和旋出产生了阻塞作用,使得螺栓彻底咬死。

 

2.3.2、咬死过程分析

 

不锈钢螺栓在咬死过程中发生了严重磨损现象。为了分析不锈钢螺栓的咬死过程,本研究通过中断试验观察螺牙在不同预紧和拆卸次数下的磨损的特征。中断试验在快速预紧与拆卸的条件下进行,试验过程中预紧力矩设定为30 N·m,反复预紧与拆卸的次数分别为1 次、7 次和15 次。所有中断试验的螺栓均未发生咬死。试验后,将螺栓从螺牙底部沿着垂直于轴线方向进行线切割。螺纹配合的第一个螺牙承受了螺栓超过30%的载荷,因此该螺牙的损伤最严重。本研究使用扫描电镜对螺栓第一个螺牙的磨损形貌进行了分析。图6 为经过不同预紧与拆卸次数后螺纹的损伤形貌。1 次预紧与拆卸后,螺牙表面就出现犁沟,这说明螺牙表面发生磨粒磨损,见图6a) 。7 次预紧与拆卸后,螺牙表面发生黏着磨损,螺牙顶部出现了由于黏着磨损而引起的撕裂和剥离现象,见图6b) 。15 次预紧与拆卸后,黏着磨损加剧,螺牙顶部发生撕裂和剥离的材料体积增加,见图6c)。

 

图6 经过不同预紧与拆卸次数后螺纹的损伤形貌

 

可见,随着预紧和拆卸次数增加,螺牙表面的磨损机制由磨粒磨损转变为黏着磨损,且黏着磨损引起的损伤程度逐渐增加。随着螺牙表面磨损的加剧,由于剥离和撕裂产生的磨屑逐渐在螺牙间堆积,这阻碍了螺牙的旋合过程并最终引起了咬死现象。

 

2.4、未咬死试样的损伤观察

 

在慢速预紧与拆卸和涂胶后快速预紧与拆卸两种试验条件下,所有螺栓经过40 次预紧与拆卸后都没有出现咬死现象。在这两种试验条件下,试验后螺牙的损伤形貌见图7。与快速预紧与拆卸的条件( 见图6) 相比,在这两种试验条件下,螺牙表面的损伤程度大幅度减轻。这说明,涂胶和减小预紧与拆卸速度都能减轻螺牙间的黏着磨损,从而降低不锈钢螺纹连接发生咬死的概率。

 

图7 试验后螺牙的损伤形貌

 

三、讨论

 

从上述分析可得,发生在螺牙表面的黏着磨损是影响不锈钢螺纹连接抗咬死能力的主要因素。根据黏着磨损理论,材料的磨损体积表达式为:

 

 

式中:V 是磨损体积; ks是黏着磨损常数; W 是正压力;s 是滑动距离;σs是材料的受压屈服极限。可见,磨损体积随着材料受压屈服极限的降低而增加。螺牙表面材料的受压屈服极限随着螺牙间温度的增加而降低。在反复预紧和拆卸过程中,内外螺牙面间相对滑动产生的摩擦热引起了螺栓温度的增加。虽然本研究的温度测量点位于螺栓顶部( 见图1) ,但这些温度数据( 见表1) 能定性地反映螺牙面的温度情况。在慢速预紧与拆卸的条件下,预紧与拆卸所需时间较长,摩擦热在试验过程中基本都已经耗散,试样的温升不明显。在该试验条件下,螺牙表面材料的强度降低程度较小,所以螺牙面的损伤程度较轻( 图7a) ) 。在快速预紧与拆卸的条件下,预紧与拆卸所需时间很短,摩擦热来不及耗散,试样的温升显著( 表1) 。在此高温条件下,螺牙面的材料强度将显著下降,所以螺牙表面发生严重黏着磨损( 图6) 。此外,不锈钢材料在高温条件下脆性降低,塑性提高,这将增加黏着节点破坏的深度,从而进一步加剧黏着磨损。从图3 可看出,在涂胶后快速预紧与拆卸的条件下,螺栓预紧力增加。据此可推测涂胶降低了内外螺纹面间的摩擦系数。螺纹间的摩擦热随着摩擦系数的降低而降低,因此涂胶后试样的温升不明显( 表1) ,螺牙面的损伤程度降低( 图7b) ) 。此外,涂胶在螺纹表面引入一层第三介质,这进一步降低了材料的磨损。从上述分析可得,减小预紧力和拆卸速度可降低螺牙间温度,从而减轻黏着磨损,降低不锈钢螺纹连接发生咬死的概率; 涂胶可通过降低螺牙面的摩擦系数降低螺牙间温度,从而防止不锈钢螺纹连接发生咬死现象。

 

四、结论

 

 

1) 快速预紧和拆卸引起的螺牙间高温导致不锈钢螺牙表面发生严重黏着磨损。黏着磨损产生的磨屑在螺牙间堆积,阻碍了螺牙的旋合过程并最终引起咬死现象。

 

2) 减小预紧和拆卸速度可降低螺牙间温度,从而减轻黏着磨损,降低不锈钢螺纹连接发生咬死的概率。

 

3) 涂胶可通过降低螺牙面的摩擦系数降低螺牙间温度,从而防止不锈钢螺纹连接发生咬死现象。

 

来源:智能紧固件及紧固工具

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