不銹鋼螺紋連接中特殊螺紋鎖固劑的應(yīng)用研究

魏培欣

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

不銹鋼螺紋連接中特殊螺紋鎖固劑的應(yīng)用研究

魏培欣

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

對(duì)不銹鋼螺紋連接的咬死機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究，找出了咬死發(fā)生的根本原因及過(guò)程。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)研制的特殊性能螺紋鎖固劑做了抗咬死及防松試驗(yàn)，通過(guò)涂膠前后不銹鋼螺紋連接咬死對(duì)比試驗(yàn)、螺紋連接防松性能對(duì)比試驗(yàn)及螺牙磨損形貌對(duì)比分析，論證了特殊螺紋鎖固劑在不銹鋼螺紋連接中的抗咬死及防松性能能夠滿足實(shí)際需求。

螺紋鎖固；不銹鋼；螺紋連接；螺紋咬死

作為螺紋連接的一種，不銹鋼螺紋連接因具有不容易生銹、耐腐蝕且有金屬光澤等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常普遍。與常規(guī)碳鋼螺栓相比，不銹鋼螺栓在安裝和拆卸的過(guò)程中容易發(fā)生咬死現(xiàn)象。咬死現(xiàn)象一旦發(fā)生，會(huì)造成螺栓拆卸困難，甚至根本無(wú)法拆卸，需要采用切割等破壞手段將螺栓取出。

現(xiàn)在地鐵車輛使用的不銹鋼螺紋連接地方比較多，如車體連接、內(nèi)飾、司機(jī)室以及車下設(shè)備等，不銹鋼螺栓的大量應(yīng)用必然會(huì)導(dǎo)致其可能發(fā)生咬死的幾率增大。為此，防止不銹鋼螺紋發(fā)生咬死具有重要意義。一般解決防咬死的辦法是采用在螺紋連接中加入潤(rùn)滑劑二硫化鉬，在使用二硫化鉬的同時(shí)也增加了螺紋連接松動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。所以要同時(shí)解決不銹鋼螺紋連接中的抗咬死及防松，就必須要研制一種螺紋鎖固劑。

1 不銹鋼螺紋連接咬死機(jī)理

不銹鋼螺栓在裝配和拆卸過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)咬死現(xiàn)象[1]。將咬死的接頭螺紋連接部分剖切后觀察螺牙的表面形貌可以看到，內(nèi)外螺紋的螺牙上都有嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象（如圖1所示），而咬死前、后螺牙的金相組織沒(méi)有異常[2]。這說(shuō)明，螺牙磨損是不銹鋼螺紋連接發(fā)生咬死的原因之一，經(jīng)過(guò)預(yù)緊固7次后觀察螺紋形貌發(fā)現(xiàn)，表面有撕裂現(xiàn)象。錢學(xué)寧等[4]使用扭矩扳手對(duì)不銹鋼螺紋連接部位涂覆潤(rùn)滑劑前、后的咬死行為進(jìn)行了反復(fù)預(yù)緊試驗(yàn)。結(jié)果表明，涂覆潤(rùn)滑劑可以有效改善不銹鋼螺紋連接發(fā)生咬死的概率。對(duì)不銹鋼螺栓咬死機(jī)理，相關(guān)研究人員[3～5]認(rèn)為：不銹鋼螺紋螺牙表面存在一層非常薄的氧化膜，厚度約為5～10 μm，氧化膜在螺紋預(yù)緊過(guò)程中發(fā)生破壞并產(chǎn)生較硬的顆粒存在于螺牙表面，導(dǎo)致螺牙間的黏附磨損，磨損產(chǎn)生的磨屑在螺牙上堆積，阻塞了螺牙的旋入、旋出過(guò)程，最終發(fā)生螺紋咬死。而文獻(xiàn)[2]則認(rèn)為，螺牙間先發(fā)生粘附磨損，隨著磨損程度的加深，摩擦熱產(chǎn)生的局部高溫將螺牙局部焊死，最終發(fā)生咬死現(xiàn)象。

通過(guò)在螺牙處涂覆潤(rùn)滑劑可以減緩甚至消除不銹鋼螺栓咬死現(xiàn)象。但是，潤(rùn)滑劑也使螺栓與螺母之間的摩擦系數(shù)大幅降低，螺栓容易發(fā)生松動(dòng)。為了同時(shí)解決不銹鋼螺栓咬死及松動(dòng)問(wèn)題，需要專門研制一種含抗咬死劑和抗松動(dòng)劑的螺紋鎖固劑。

2 不銹鋼螺紋連接防咬死及防松螺紋鎖固劑的研制

2.1 抗咬合劑的選取

螺紋鎖固劑以有機(jī)硅化物為抗咬死劑。有機(jī)硅化物在材料應(yīng)用中可以形成彈性膜，粘接性、耐候性較好，無(wú)污染，作為有機(jī)物可以較好地與膠粘劑融合。涂膠干燥后，在連接處形成有機(jī)聚合硅化物膜，起隔離作用，防止螺紋金屬表面的相互侵入，以達(dá)到抗咬死目的。

2.2 防松動(dòng)劑選取

利用制備的特殊粘接劑溶液，將螺栓和螺母粘接在一起，達(dá)到防松的目的，拆卸時(shí)只要施加足夠的力矩即可。本膠水采用甲基丙烯酯類和丙烯酸酯類為原料，分別加入過(guò)氧化劑引發(fā)劑，加熱聚合，得到聚合物。以該聚合物作為防松動(dòng)劑，易合成，無(wú)污染。經(jīng)過(guò)稀釋后涂在螺栓的表面，連接緊固后，自然干燥或加熱干燥，在金屬表面形成粘接膜，減少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，增強(qiáng)了粘接力，達(dá)到防松動(dòng)的目的。

將烯酸酯類（如，甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯等）按照一定的比列（質(zhì)量比）加入到反應(yīng)釜中，加入過(guò)氧化物引發(fā)劑BPO（過(guò)氧化二苯甲酰），開(kāi)動(dòng)攪拌器使之溶解并攪拌均勻，然后加熱至60～65℃，反應(yīng)7 h左右，使反應(yīng)釜內(nèi)產(chǎn)物黏度增加，類似甘油狀，繼續(xù)加熱反應(yīng)，老化12 h，降至室溫，得到白色透明烯酸酯的共聚物。隨即加入丙酮，用玻璃棒攪拌，約3～5 h后，得到20%濃度的PMM溶液。該聚合物作為防松動(dòng)劑，易合成，無(wú)污染。

取上述制備的PMM溶液，加入硅脂攪拌均勻，再加入硅烷偶聯(lián)劑（KH550），得到抗咬死防松動(dòng)膠水。涂在螺栓的表面、連接緊固后，自然干燥或加熱干燥，在金屬表面形成粘接膜，減少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，達(dá)到防松動(dòng)的目的。

2.3 涂膠前后不銹鋼螺紋連接咬死對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證研制出的螺紋鎖固劑對(duì)不銹鋼螺紋連接的抗咬死性能，對(duì)涂膠后的不銹鋼螺栓螺母進(jìn)行多次預(yù)緊防咬死試驗(yàn)，與不涂膠時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主要對(duì)比2種情況下發(fā)生咬死所需的預(yù)緊次數(shù)以及預(yù)緊過(guò)程中螺牙表面的磨損情況，以查看其抗咬死性能。

用螺栓規(guī)格為M10×60，全螺紋，螺母為M10，螺距為1.5 mm，為標(biāo)準(zhǔn)螺距。螺栓與螺母材質(zhì)相同，同為304不銹鋼，國(guó)標(biāo)牌號(hào)為06Cr19Ni10，材料等級(jí)為A2-70，預(yù)緊扭矩30 N·m。

涂膠前分別對(duì)5組不銹鋼螺栓螺母進(jìn)行試驗(yàn)。在多次預(yù)緊后，都發(fā)生了咬死現(xiàn)象（如圖1所示）。

涂膠后對(duì)另5組螺栓進(jìn)行反復(fù)預(yù)緊40次，都沒(méi)有出現(xiàn)咬死現(xiàn)象（如圖2所示），說(shuō)明研制的膠水具有對(duì)不銹鋼螺栓防咬死的效果，這也證明了抗咬死劑選取的合理性。對(duì)完成40次預(yù)緊、拆卸的試樣，用手對(duì)螺母進(jìn)行旋合時(shí)感覺(jué)比較平滑，說(shuō)明螺牙上的磨損、堆積和阻塞等情況非常輕微，有利于不銹鋼螺紋連接的防咬死。

試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)咬死后的瞬間試樣螺栓頂部的表層溫度進(jìn)行了紅外（FT-IR）測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖3所示。與不涂膠時(shí)的結(jié)果相比，相同試驗(yàn)條件下，涂膠后的試樣溫度明顯下降。涂膠后，試樣螺栓頂部溫度有一定升高，但是幅值不大。這說(shuō)明，涂膠后，螺牙間的摩擦磨損作用減小，產(chǎn)生的摩擦熱較少，螺牙溫度較低，不容易發(fā)生咬死現(xiàn)象。

圖1 螺栓咬死試驗(yàn)過(guò)程Fig.1 Thread seizing test process

圖2 螺栓咬死試驗(yàn)過(guò)程Fig.2 Thread seizing test process

圖3 螺紋咬死與溫度試驗(yàn)Fig.3 Experiments of thread seizing-temperature

2.4 涂膠后螺牙磨損形貌觀察

對(duì)涂膠后預(yù)緊40次未發(fā)生咬死的試樣進(jìn)行切割、清理和顯微鏡觀察。將螺栓從螺牙底部沿著垂直于軸線方向進(jìn)行線切割，以觀察螺牙表面的磨損形貌。選取第1個(gè)螺紋配合的螺牙（距離傳感器一端）為觀察對(duì)象（如圖4所示），螺牙表面基本上無(wú)磨損。

圖4 涂膠后螺牙磨損形貌Fig.4 Wear morphology of thread after coating

2.5 涂膠前后不銹鋼螺紋連接部位防松性能的對(duì)比試驗(yàn)

螺紋鎖固劑里含有的抗咬死劑實(shí)質(zhì)是一種潤(rùn)滑劑，目的是減小內(nèi)外螺紋螺牙間的摩擦系數(shù)；此外還添加了防松動(dòng)劑，目的是提高螺牙間的粘接能力。為了驗(yàn)證該螺紋鎖固劑對(duì)不銹鋼螺紋連接防松性能的影響，對(duì)涂膠前后不銹鋼螺栓在橫向振動(dòng)載荷作用下，其預(yù)緊力的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)過(guò)程中可實(shí)時(shí)采集預(yù)緊力的大小及變化，通過(guò)預(yù)緊力的下降程度可以判斷螺栓防松效果的優(yōu)劣。因此，設(shè)定涂膠前后預(yù)緊力的大小相同，且試驗(yàn)過(guò)程中施加的振動(dòng)載荷（載荷波形、幅值、頻率和次數(shù)）是一致的。

考慮到地鐵車輛上使用的不銹鋼螺栓所夾持的部位多為鋁合金材料，其強(qiáng)度、硬度較低，因此，螺栓的擰緊力矩要較小。設(shè)置預(yù)緊力是基于擰緊力矩分別為30 N·m和25 N·m時(shí)對(duì)應(yīng)的預(yù)緊力大小。分別取2組試樣，每組5對(duì)螺栓螺母。對(duì)第1組試樣分別進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力矩為30 N·m，測(cè)量每個(gè)試樣上的預(yù)緊力大小，對(duì)5個(gè)預(yù)緊力的結(jié)果取平均值，選取最終的試驗(yàn)預(yù)緊力為10.5 kN。同樣的方式對(duì)第2組試樣進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力矩為25 Nm，計(jì)算預(yù)緊力的平均值，選取最終的試驗(yàn)預(yù)緊力為8.5 kN。試驗(yàn)過(guò)程中施加恒幅、恒頻的正弦波位移振動(dòng)載荷。車輛結(jié)構(gòu)上第1階振動(dòng)頻率一般為3～6 Hz左右，為了盡量與實(shí)際工況接近，試驗(yàn)設(shè)置載荷頻率為5 Hz，位移幅值為0.3 mm，循環(huán)次數(shù)為10 000次。

對(duì)涂膠前后預(yù)緊力的下降進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示的是預(yù)緊力下降的百分比柱狀圖。

圖5 預(yù)緊力下降對(duì)比Fig.5 Comparison of pretightening force reduction

由圖5可知：在橫向振動(dòng)的試驗(yàn)條件下，螺紋鎖固劑能夠有效減緩預(yù)緊力的下降，起到了螺栓防松效果，能夠滿足實(shí)際的需求。

2.6 涂膠前后不銹鋼螺紋連接形貌對(duì)比

為了分析涂膠前后預(yù)緊力下降的原因，試驗(yàn)完成后，將螺栓的第1個(gè)配合螺牙（距傳感器一端）從試樣上切下，在顯微鏡下觀察磨損形貌。圖6（a）和圖6（b）分別顯示的是預(yù)緊力為10.5 kN時(shí)，不涂膠和涂膠后螺栓螺牙的表面形貌觀察；圖6（c）和圖6（d）分別顯示的是預(yù)緊力為8.5 kN時(shí)，不涂膠和涂膠后螺栓螺牙表面形貌的掃描電鏡觀察圖。

圖6 不涂膠、涂膠時(shí)螺牙的表面形貌[FN=10.5 kN，N=10 000次循環(huán)（a、b）]；不涂膠、涂膠時(shí)螺牙的表面形貌[FN=8.5 kN，N=10 000次循環(huán)（c、d）]Fig.6 Comparison of thred surface morphology photos for with and without coating at FN=10.5kN（a、b）and FN=8.5kN（c、d）

對(duì)比涂膠前后螺牙表面的磨損形貌可以看出，相同預(yù)緊力水平下，涂膠后螺牙磨損程度較低，與預(yù)緊力下降的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。結(jié)果表明，不銹鋼螺栓防咬死及防松螺紋鎖固劑固化后減緩了螺牙間的磨損，有利于提高不銹鋼螺紋連接的防松效果。

3 結(jié)論

為了進(jìn)行不銹鋼螺紋連接部位發(fā)生咬死的試驗(yàn)研究、探明其發(fā)生機(jī)理，研制出了一種既可以防止不銹鋼螺紋連接后發(fā)生咬死，又具有一定防松效果的特殊螺紋鎖固劑。對(duì)使用該螺紋鎖固劑后的不銹鋼螺母、螺栓進(jìn)行了防咬死及防松試驗(yàn)，結(jié)果表明，該螺紋鎖固劑能夠達(dá)到預(yù)期的目的。

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Study on application of special thread locking agent in stainless steel thread connection

WEI Pei-xin
(CRRC Nanjing Puzhen Rolling Stock Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu 210031, China)

In this paper, the mechanism of thread seizing in the threaded connection of stainless steel was experimentally studied. The primary cause and process of the occurrence of thread seizing were found. The thread locking agent with special performance was developed and the anti-seizing and anti-loosing tests were conducted for the thread locking agent, Through the comparative tests on locking performance and anti-loosing ability of stainless steel thread connection, and the wear morphology of thread before and after coating, it is proved that the anti-seizing and anti-loosing performance of the special thread locking agent can meet the actual requirements in the stainless steel thread connectionn.

thread locking; stainless steel; threaded connection; thread seizing

TQ437+.4

A

1001-5922（2017）09-0067-04

2017-03-12

魏培欣（1973-），男，高級(jí)工程師，從事車輛技術(shù)工藝工作并負(fù)責(zé)公司膠粘劑的工藝。E-mail：pxwei73@126.com。