不銹鋼螺紋聯接副損傷及咬死現象分析與解決措施

李文頂，孔鳴杰，江文達

（中國航天科技集團公司第八〇三研究所，上海 200233）

0 前言

不銹鋼咬死問題在某運載火箭單機研制中多次出現，本文收集不銹鋼咬死問題的相關資料，開展防止不銹鋼咬死問題的措施。

在某單機研制過程中，考慮到材料的耐腐蝕，強硬度等設計約束，多個零件選用了不銹鋼，在裝配、分解過程中發現多處咬死現象。

1 不銹鋼螺紋咬死機理

相關研究表明，不銹鋼螺紋聯結之所以經常發生咬死，主要是由于不銹鋼金屬合金本身會在表面受到破壞時，在金屬表面產生一層薄薄的氧化層來防止進一步的更深入的損傷，正是由于不銹鋼及其合金的這種防銹蝕性，使得不銹鋼螺紋聯結咬死的情況極易發生。

當不銹鋼緊固件鎖緊和拆卸時，螺紋牙間的相互運動所產生的壓力與摩擦力會破壞并抹去螺紋牙上的氧化膜層，而摩擦產生的熱能將加劇氧化膜層的損壞速度。氧化膜層的損壞使得金屬牙紋直接發生相互作用力，進而發生粘著現象，當粘著現象持續發生時，如果不能及時的采取措施，將使得不銹鋼螺紋副完全鎖死，無法拆卸。

不銹鋼咬死的外部原因為：壓紋粗糙或有異物粘聯，如有金屬屑夾在牙紋間，常會導致鎖死；用力太過或者擰緊過快；施力方向角度錯誤，擰緊時未沿軸線旋合。

2 不銹鋼螺紋聯接副損傷、咬死的解決措施及其預防

2.1 潤滑

潤滑是控制咬死問題的最有效的措施之一，潤滑能夠減少摩擦力這一導致咬死的關鍵因素，裝配人員應該注意的是，使用潤滑劑后扭力與預緊力的關系也將相應改變，當使用力矩扳手時，應充分考慮這一因素。

重慶大學的鄧小桅、程西云等進行了硼酸鑭納米添加劑對摩擦副抗咬死性能影響的研究[1]，通過對含硼酸鑭納米粒子添加劑潤滑油的抗咬死性能試驗研究發現，硼酸鑭納米添加劑能改善滑動摩擦副的抗咬死性能及潤滑油的潤滑性能，通過分析咬死失效后的表面形貌，結合咬死失效前后滑動摩擦副表面XPS 圖譜，分析了硼酸鑭納米添加劑提高滑動摩擦副抗咬死性能的原因。

南車戚墅堰機車有限公司的華軍以內燃機車連桿螺栓緊固為例對螺紋潤滑狀態改變對螺栓預緊力矩的影響進行了分析[2]，航天科工集團公司信陽航天標準件廠的曲璇中進行了潤滑對鈦合金螺栓擰緊力矩的影響分析[3]。兩者均證明了當存在潤滑作用時應適當減小擰緊力矩。

2.2 涂覆

采用表面涂覆也能在很大程度上縮減摩擦系數，故而有效降低不銹鋼螺紋咬死的概率。

不銹鋼螺栓耐腐蝕性較好，但硬度相對較低，摩擦系數大，受力后螺紋易塑性變形，粘合性強，從而導致咬死。

理論分析及經驗表明，減小不銹鋼螺紋副相互配合摩擦力能夠較好的避免咬死問題，據此提出抗咬死材料配方的設計原則是：減摩潤滑效果好，防止配合螺紋副的直接摩擦，改善螺紋間（螺栓與螺母）的配合表面。同時涂覆材料還要盡可能適應連接件的各種使用工況條件，如高溫、輻射等，最后還要工藝可行、方便，有效期限長。工業上常用的涂覆材料包括石墨、二硫化鉬和石蠟等。

2.3 熱控制

配合過程中擰緊力導致螺紋副之間產生相互擠壓力，并破壞形成的氧化膜層，不銹鋼表面的直接接觸導致摩擦力的增大，裝配過程中產生的熱量很容易導致螺紋副的磨損和咬死，即冷焊。少量的磨損可能引起輕微的螺紋副損害，裝配人員依然能夠拆卸聯接副，然而磨損嚴重時將直接導致冷焊現象的產生，無法拆卸。

重慶大學的程西云、蔣松等人研究了溫度升高咬死失效理論模型[4]，認為滑動摩擦副咬死是由于接觸區的局部高溫，導致基體金屬熔焊所致，對于采用不同介質潤滑時，咬死所經歷的過程雖不完全同，但都是由于接觸區瞬間產生高溫引起的，文章指出以降低表面接觸溫度為措施的方法均可以有效提高滑動摩擦副的抗咬死能力。

軍械工程學院的靳瑩、楊潤澤通過ANSYS模擬了不同懸合速度下的螺紋生熱情況[5]，進一步探究了螺紋聯結的生熱機理及熱量與旋和速度的關系。

由分析研究可知，熱也是螺紋咬死的一個重要因素，裝配過程中摩擦導致了熱量累積，并且熱量伴隨著速度的加快而增加，降低裝配速度也能降低咬死風險。盡量選用扭力扳手或套筒扳手，避免使用活動扳手和電動扳手，電動扳手常導致上鎖速度過快，溫度急劇上升而鎖死。

2.4 材料選型

相互配合的不銹鋼材料相同時比不同材料的不銹鋼更容易導致咬死現象的產生。如400 系列不銹鋼與316 系列的不銹鋼螺紋副配合時就不易咬死。當由于設計要求需要選擇相似材料時，應規定不同的硬度值。

2.5 控制螺紋質量

螺紋表面的光滑度越高，咬死的概率越低。

3 結論

額外摩擦力和裝配過程中產生的熱量是導致螺紋副損傷、咬死的主要原因，相似材料的使用、螺紋副表面粗糙及多余物都能導致螺紋副早期磨損和增加咬死風險。在該運載火箭單機研制過程中，發現多處咬死均為連接副設計缺陷或者安裝旋入操作不當（未對中、旋入速度過快）引起，可以通過潤滑劑和調整裝配工藝進行矯正，圖1 給出了不銹鋼螺紋聯接副損傷、咬死的原因及相應解決措施。

圖1 螺紋副咬死及解決措施

在某單機研制過程中，針對螺紋聯接副多次粘著咬死現象，進行了以下幾方面的改進。（1）對螺紋精度、表面質量進行嚴格檢查；（2）選取合適的涂覆材料對聯接螺紋進行涂覆；（3）控制擰緊、拆卸工序，規定旋入、旋出速度；（4）安裝時保證相互配合零件的對中。

［1］鄧小桅，程西云，曹興進，等.硼酸鑭納米添加劑對摩擦副抗咬死性能影響的研究［J］.機械工藝師，2000（06）：16-17.

［2］華軍.螺紋潤滑狀態改變對螺栓預緊力矩影響的分析［J］.機車車輛工藝，2009（06）：13-15.

［3］曲璇中.潤滑對鈦合金螺栓擰緊力矩的影響［J］.航天標準化，2003（02）：.

［4］程西云，蔣松，韋云隆.一種新的咬死失效理論模型——高溫熔焊模型［J］.農業機械學報，2000，31（6）：107-110.

［5］靳瑩，楊潤澤.基于ANSYS 的螺紋發熱模擬方法［J］.兵工自動化，2007，26（1）：37-38.