新一代螺紋鎖固厭氧膠防松性能的研究

艾少華，張 挺，劉 鵬，韓勝利，趙景左，馬勤超，孫國(guó)鋒

（1.湖北回天新材料股份有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441057；2.浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽 314300）

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，螺紋鎖固膠已在各行各業(yè)得到廣泛使用。但是螺紋鎖固膠的防松性在業(yè)內(nèi)還沒(méi)有得到普遍的關(guān)注和重視，目前行業(yè)內(nèi)還沒(méi)有相應(yīng)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)和方法，相關(guān)的研究也較少。但在緊固件行業(yè)，采用GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)緊固件的防松方式進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證已得到該行業(yè)上下游企業(yè)的普遍認(rèn)可。該方法是由德國(guó)工程師Gerhard H.Junker提出的，其依據(jù)是作用于緊固件上的橫向力引起螺紋副和支承面間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，緊固件就會(huì)產(chǎn)生自松動(dòng)，而橫向振動(dòng)對(duì)緊固件的自松動(dòng)遠(yuǎn)超軸向振動(dòng)的影響。當(dāng)前這種測(cè)試方法在國(guó)內(nèi)的汽車(chē)、鐵路等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外大量研究[2～4]表明，緊固件的松動(dòng)原因主要源自橫向振動(dòng)載荷，因此可以采用橫向振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)對(duì)比評(píng)價(jià)防松方式的防松性能。螺紋鎖固厭氧膠[5，6]是緊固件的一種化學(xué)防松評(píng)價(jià)方式，因此，理論上其防松性能可以參考GB/T 10431—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。

回天公司針對(duì)傳統(tǒng)螺紋鎖固膠對(duì)材質(zhì)較敏感、耐溫不高和容油性較差等缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出了新一代螺紋鎖固厭氧膠7243和7263。其具體表現(xiàn)為，在惰性材質(zhì)上的固化效果大幅提升，對(duì)材質(zhì)不敏感；耐溫性能由最高150℃提升至180 ℃；超強(qiáng)的容油性，輕微油面表面固化性能不受影響。其中新一代螺紋鎖固厭氧膠7243為中強(qiáng)度型，7263為高強(qiáng)度型。本研究將參考GB/T 10431—2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比測(cè)試涂這2種膠前后緊固件橫向振動(dòng)性能差異，以考查這2種螺紋鎖固厭氧膠的防松性能，為今后螺紋鎖固厭氧膠防松性能測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)化提供一些參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 螺紋緊固件松動(dòng)機(jī)理和防松措施簡(jiǎn)介

螺紋緊固件最大的缺點(diǎn)是在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)松動(dòng)，螺紋緊固件產(chǎn)生松動(dòng)失效的機(jī)理一般分為張力松弛和自轉(zhuǎn)松動(dòng)。張力松弛是因?yàn)榫o固件出現(xiàn)松弛或被連接件出現(xiàn)“塌陷”導(dǎo)致的，可通過(guò)提升材料剛度、加墊片等方面進(jìn)行解決，張力松弛導(dǎo)致的松動(dòng)不能使用厭氧膠加以解決。

由于摩擦角大于螺紋升角，同時(shí)也存在著螺紋自鎖的條件，正常情況下螺紋緊固件不會(huì)發(fā)生自轉(zhuǎn)松動(dòng)。但在工作狀態(tài)下承受變動(dòng)載荷（如激烈的振動(dòng)和沖擊載荷）作用時(shí)，螺紋緊固件在螺紋和支承面上產(chǎn)生了微觀(guān)的滑移，這種相對(duì)的微觀(guān)運(yùn)動(dòng)使摩擦系數(shù)由相對(duì)較高的靜態(tài)值變?yōu)檩^低的動(dòng)態(tài)值，此時(shí)作用在螺紋上的軸向力在圓周方向上形成一個(gè)導(dǎo)致螺母松轉(zhuǎn)的內(nèi)松出力矩，使螺母開(kāi)始松轉(zhuǎn)，多次的循環(huán)直至緊固件松脫，這種松動(dòng)稱(chēng)為自轉(zhuǎn)松動(dòng)。使用螺紋鎖固厭氧膠是一種防止螺紋緊固件自轉(zhuǎn)松動(dòng)的有效措施，其機(jī)理就是螺紋鎖固厭氧膠充滿(mǎn)螺紋嚙合部間隙，當(dāng)膠液固化后使嚙合面粘成一個(gè)整體，徹底消除了微動(dòng)磨損的根源。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

（1）橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司自行研制的電磁式試驗(yàn)機(jī)（如圖1所示，其試驗(yàn)夾緊裝置部分完全符合GB/T 10431—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求，即利用試驗(yàn)機(jī)上被一定擰緊力夾緊的緊固件在2塊金屬板之間產(chǎn)生交變橫向位移，使連接松動(dòng)，從而導(dǎo)致夾緊力的減小甚至完全喪失。連續(xù)記錄夾緊力的瞬時(shí)值，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的對(duì)比可以判斷緊固件的防松性能之優(yōu)劣。而橫向振動(dòng)載荷的產(chǎn)生是利用主電機(jī)的轉(zhuǎn)速及扭矩通過(guò)同步帶系統(tǒng)及電磁離合器傳遞給旋轉(zhuǎn)主軸，旋轉(zhuǎn)主軸在離合器動(dòng)盤(pán)的作用下帶動(dòng)其端部S、N極永久磁鐵轉(zhuǎn)動(dòng)，使得S、N極磁力線(xiàn)產(chǎn)生一吸一斥的周期性變化，由于這種周期性的磁力作用通過(guò)永久磁鐵平動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)變成具有固定的頻率（12.5 Hz）和規(guī)定振幅的軸向往復(fù)諧振運(yùn)動(dòng)，同時(shí)利用對(duì)磁鐵間隙的調(diào)整得到不同大小的橫向振動(dòng)力和振幅）。

圖1 橫向振動(dòng)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Transverse vibration testing machine

（2）實(shí)驗(yàn)夾具，自制（符合GB/T 10431標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的“用于螺母實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置”）。

（3）試驗(yàn)用螺栓，采用GB/T 5782—2016《六角頭螺栓》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10.9級(jí)M10鍍彩鋅螺栓（精度為6 g）。

（4）測(cè)試螺母，采用GB/T 6170—2000《1型六角螺母》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10級(jí)M10鍍彩鋅螺母（精度為6 H）。

1.3 試驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)方法：按照GB/T 10431—2008《緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行（每一個(gè)條件組測(cè)試10個(gè)樣件，振動(dòng)頻率為12.5 Hz，振幅為1 mm，振動(dòng)次數(shù)為3 000次，在振動(dòng)次數(shù)相同的條件下，緊固件振動(dòng)后夾緊力保持率越高，其防松性能越好）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不涂膠防松性能

初始預(yù)緊力越小，不涂膠的緊固件越易松動(dòng)。在工業(yè)領(lǐng)域，緊固件安裝預(yù)緊力一般在30%～70%的螺栓保證載荷之間。10.9級(jí)M10鍍彩鋅螺栓保證載荷為48.1 kN，研究過(guò)程中選取了3種初始夾緊力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別為：①約40%螺栓保證載荷（約19.24 kN）；②約50%螺栓保證載荷（約24.05 kN）；③約70%螺栓保證載荷（約33.67 kN）。在這3種初始夾緊力作用下，空白緊固件的橫向振動(dòng)試驗(yàn)效果分別如圖2（a）、2（b）和2（c）所示。初始夾緊力為40%螺栓保證載荷和50%螺栓保證載荷時(shí)，防松效果比較差，緊固件經(jīng)過(guò)振動(dòng)后夾緊力快速衰減，隨著初始預(yù)緊力提高到70%螺栓保證載荷，緊固件松動(dòng)的概率大幅降低，且大部分樣件預(yù)緊力保持在80%以上，這說(shuō)明提高初始預(yù)緊力，也能一定程度提升緊固件的防松能力。但即便如此，始終還是存在著較大的松動(dòng)概率，防松的可靠性不是很理想。另外，較高的初始預(yù)緊力雖然有助于提升防松性，但卻對(duì)安裝工具和螺栓的摩擦系數(shù)要求很高，稍不注意可能出現(xiàn)過(guò)載，造成新的潛在隱患。這是因?yàn)椋诼菁y緊固件的制造中不可能保證摩擦系數(shù)的均勻統(tǒng)一，個(gè)體間存在一定的波動(dòng)，如果這種波動(dòng)范圍過(guò)大，則其實(shí)際預(yù)緊力有可能超出緊固件保證載荷要求，出現(xiàn)過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 涂膠樣防松性能

測(cè)試了在不同初始預(yù)緊力（約40%螺栓保證載荷、約50%螺栓保證載荷和約70%螺栓保證載荷）下，涂膠緊固件的防松性能，其中涂螺紋鎖固厭氧膠7243的如圖3（a）、3（b）和3（c）所示；涂螺紋鎖固厭氧膠7263的如圖4（a）、4（b）和4（c）所示。

由圖3、圖4可知：在不同預(yù)緊力條件下，涂7243或7263鎖固膠裝配固化后的緊固件在橫向振動(dòng)過(guò)程中預(yù)緊力始終保持在初始預(yù)緊力的95%以上。與不涂膠試樣相比，涂膠后的緊固件不僅提升了防松性，而且提升了防松可靠性，即使在較低的預(yù)緊力情況下，也有非常好的防松效果。這就意味著使用鎖固膠作為防松措施后可以適當(dāng)降低預(yù)緊力的要求，從而對(duì)安裝工具和緊固件摩擦系數(shù)的要求也相應(yīng)降低，是一種十分簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的防松措施。這正是因?yàn)椴挥寐菁y鎖固膠時(shí)，螺紋嚙合區(qū)存在較大空隙，且嚙合區(qū)螺牙受力分布不均勻所致[7]。當(dāng)收到橫向沖擊振動(dòng)時(shí)，容易出現(xiàn)自轉(zhuǎn)松動(dòng)；而使用螺紋鎖固膠后，螺紋副嚙合區(qū)的空隙完全被鎖固膠的固化物黏合并填滿(mǎn)，使得螺栓和螺母在上緊后連接成為一個(gè)整體，預(yù)緊力在螺紋嚙合區(qū)分布更加均勻，因此在橫向振動(dòng)時(shí)很難松動(dòng)。

2.3 扭矩強(qiáng)度對(duì)防松性的影響

測(cè)試了7243和7263這2種螺紋鎖固膠在不同條件下的扭矩強(qiáng)度，如表1所示。由表1可知：雖然7263在各種條件下的扭矩強(qiáng)度（破壞扭矩和牽出扭矩）都明顯高于7243，但是2者在上述防松性能測(cè)試過(guò)程中均表現(xiàn)十分優(yōu)異，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的差異，這說(shuō)明鎖固膠扭矩強(qiáng)度的高低與其防松性能之間并無(wú)相關(guān)性。目前不少人常認(rèn)為螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度越高則防松性能就越好，但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看2者并無(wú)直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此不宜簡(jiǎn)單地用螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度的大小來(lái)評(píng)價(jià)其防松能力的好壞。分析其原因可能是因?yàn)槭褂寐菁y鎖固膠后，鎖固膠在嚙合區(qū)空隙中固化后產(chǎn)生2個(gè)作用，一個(gè)是粘接作用（表現(xiàn)為扭矩強(qiáng)度）；第2個(gè)為填充作用（使螺牙受力更均勻）。這2種作用可能都對(duì)防松性存在積極的影響，但是填充作用占主導(dǎo)，因此，無(wú)論螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度高或低，只要在嚙合區(qū)固化就會(huì)產(chǎn)生優(yōu)異的填充效果，進(jìn)而表現(xiàn)出優(yōu)異的防松效果。

圖2 不同初始夾緊力的空白組緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Transverse vibration test results of blank group fasteners with different initial clamping force

圖3 不同初始夾緊力的涂7243鎖固膠組緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Transverse vibration test results of fasteners coated with 7243 thread locking anaerobic adhesive for different initial clamping force

圖4 不同初始夾緊力的涂7263鎖固膠組緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Transverse vibration test results of fasteners coated with 7263 thread locking anaerobic adhesives for different initial clamping force

表1 2種螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度和防松性對(duì)比數(shù)據(jù)Tab.1 Comparative test data of torque strength and anti-loosening performances for two thread locking anaerobic adhesives

3 結(jié)論

（1）不涂膠的緊固件比較容易松動(dòng)，雖然提高初始預(yù)緊力可以在一定程度上予以改善，但始終存在著較大的松動(dòng)概率，防松的可靠性不理想。

（2）與不涂膠的緊固件相比，鎖固膠7243和7263不僅可顯著提升緊固件防松性，而且還能增加防松可靠性，即使在較低的預(yù)緊力情況下，也有非常好的防松效果。

（3）螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度的高低與其防松性能之間并無(wú)相關(guān)性，不宜用螺紋鎖固厭氧膠扭矩強(qiáng)度的大小來(lái)評(píng)價(jià)其防松能力的好壞。

[1]GB/T10431-2008,緊固件橫向振動(dòng)試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2]Junker G H.Criteria for self loosening of fasteners under vibration[J].Aircraft Engineering&Aerospace Technology,1969,44(10):14-16.

[3]李維榮.螺紋緊固件防松技術(shù)和試驗(yàn)方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2005.

[4]張挺,姜招喜,馮梅.緊固件抗振防松性能比較[J].金屬制品,2012,38(1):78-80.

[5]艾少華,趙景左,韓勝利.預(yù)涂型厭氧膠在緊固件上使用工藝的研究[J].粘接,2013,34(12):50-53.

[6]艾少華,趙景左,韓勝利.螺紋鎖固厭氧膠對(duì)緊固件螺紋摩擦系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響[J].粘接,2016,37(1):45-47.

[7]肖偉群.高強(qiáng)螺紋緊固件的失效模式、機(jī)理分析和設(shè)計(jì)原則[J].汽車(chē)工藝與材料,2006,21(7):26-28.