15-5PH不銹鋼螺紋連接咬死原因分析

傅碧華 孫繼勇 張 威 馬 馳

（中航飛機起落架有限責任公司，湖南 長沙 410200）

15-5PH 不銹鋼（0Cr15Ni5Cu4Nb）材料屬于高強度結構鋼，含碳量低，可焊接性能和耐腐蝕性能優良，具有高強度、高抗氧化性、良好的切屑加工性及高韌性的特點[1]，常用于起落架作動筒內主要承力部件。國內某型號起落架作動筒結構大量采用了沉淀硬化不銹鋼15-5PH。但在進行零件安裝檢查裝過程中，出現了螺紋連接卡滯、多次粘連及咬死現象。這些螺紋連接件是作動筒的關鍵零部件，其失效會嚴重影響產品交付檢修進度和經濟效應，危害極大。針對該事故，技術人員查閱相關資料，結合該緊固件使用的環境條件，從螺紋精度等級、表面粗糙度、熱處理[2]、表處理、預緊力、加載載荷力值及是否加裝墊片等多個方面進行分析，針對試驗結果提出了預防和改善15-5PH 不銹鋼螺紋連接咬死問題的解決措施。

1 試驗規劃與研究

1.1 試驗件樣本

作動筒咬死部分的螺紋副材質均為15-5PH，螺栓為M56x1.5-6h，熱處理強度（1169±100）MPa，螺母為M56x1.5-6H，（1169±100）MPa，選用與實際規格完全相同，但螺紋精度、熱處理值及表面粗糙度具有差異性的8 組螺栓，分別編號為A1～A8。螺栓設置為普通螺紋和MJ 螺紋，精度等級為f、h、g 共3 種，熱處理強度值為1169MPa、1410MPa，設置表面粗糙度值為2 個梯度，即Ra1.6～Ra3.2 和Ra3.2～Ra6.3。與螺栓配合的5 組螺母編號為B1～B5，螺母設置為普通螺紋和MJ 螺紋，精度等級為H，熱處理強度值為1169MPa、1410MPa，設置表面粗糙度值為2 個梯度，即Ra1.6～Ra3.2及Ra3.2～Ra6.3。其中螺栓與螺母全部鈍化處理，螺紋表面按需采用滲氮、鍍鎳及鍍銅等多種不同的表面處理方式，并設置部分試驗項目涂覆防咬合劑樂泰76764、77124、76759或噴涂METAFLUX70-83，具體試驗樣本組數據見表1。

表1 試驗樣本組

1.2 試驗方案

將8 組螺栓和5 組螺母分別配對，共計20 對，具體螺栓與螺母配對及其表面處理情況見表2。試驗前需要進行清洗檢查，將所有螺栓螺母用汽油溶液清洗干凈，檢查加工面有無毛刺、劃傷。

表2 試驗配對

試驗過程如下：1）自由試裝。將螺栓與螺母手動按1r/s、0.5r/s 的速度來回旋合，循環10 次。2）不凃防咬合劑帶預緊力試裝。螺紋咬合試驗裝配圖1 所示。按照圖1（帶墊片）以1r/s 的速度手動旋合擰緊試驗件，末端施加750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 擰緊力矩。3）不涂防咬合劑帶預緊力試裝。按照圖1（不帶墊片）以1r/s 的速度手動旋合擰緊試驗件，末端施加750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 擰緊力矩。4）螺紋靜加載試驗。按照圖1 載荷方向對產品施加48kN、96kN 載荷，保持5S 后卸載，循環10 次.5）涂防咬合劑（樂泰76764、77124、76759 或噴涂METAFLUX70-83）帶預緊力試裝。按照圖1（帶墊片/或不帶墊片）以1r/s 的速度手動旋合擰緊試驗件，末端施加750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 擰緊力矩。

圖1 螺紋咬合試驗裝配圖（mm）

1.3 試驗結果

第1/2/3 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按照步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試。第1 組螺紋未咬合，螺紋表面有少量脫屑堆積，螺紋尖拉毛，觸摸剌手，旋合正常。然后按照步驟4 直接施加2000N·m 預緊力，并軸向重復加載10 次48kN 載荷，旋開螺紋副掉屑，手動旋合緊澀，螺帽螺紋受傷。最后對損傷螺紋進行補加工，并涂防咬合劑樂泰77124 并噴涂METAFLUX70-83，按照步驟5 進行帶預緊裝試試驗。螺紋未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。按照步驟2 裝試，2000N·m 時，第2 組螺紋表面在前幾次局部起絲，旋出緊澀，脫屑嚴重，第5 次出現咬合；第3 組在2000N·m 第一次試裝即出現咬合。

第4 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按照步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m和2000N·m 帶預緊裝試。2000N·m 時，開始幾次螺紋螺紋表面局部起絲，旋出緊澀，脫屑嚴重，第5 次出現咬合。

第5 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按照步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m和2000N·m 帶預緊裝試。1250N·m 時，螺紋表面有鐵屑，牙頂磨損嚴重。

第6 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試，螺紋未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。不涂咬合劑，按步驟3 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m和2000N·m 帶預緊裝試，1250N·m 時出現咬合。

第7 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試，螺紋未咬合，螺紋表面有少量銅屑脫落，螺紋觸摸剌手，旋合正常。不涂咬合劑，按步驟3 以擰緊力矩值750N·m、1250N·m 帶預緊裝試，末端牙尖磨損，旋合緊澀，未咬死。按步驟4 進行2000N·m 帶預緊裝試，軸向重復加載10 次96kN 載荷，拆卸旋合正常。

第8/9 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試，第8/9 組螺紋均未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。不涂咬合劑，按步驟3 以擰緊力矩值750N·m、1250N·m 帶預緊裝試，第8 組在1250N·m 時出現咬合，第9 組在1500N·m 時未出現咬合。第9 組按步驟4 進行2000N·m 帶預緊裝試，軸向重復加載10 次96kN 載荷，拆卸旋合正常。最后按步驟5 涂防咬合劑樂泰76759，帶預緊裝試，螺紋未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。

第10 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m和2000N·m 帶預緊裝試，1750N·m 時螺紋咬合。

第11 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試。2000N·m 時，開始幾次螺紋表面局部起絲，旋出緊澀，脫屑嚴重，第5 次出現咬合。

第12～13 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試，第8/9 組螺紋均未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。按照步驟4 進行2000N·m 帶預緊裝試，軸向重復加載10 次98kN 載荷，拆卸旋合正常。按照步驟5 涂防咬合劑樂泰76764，帶預緊裝試，螺紋未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。

第14～17 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 帶預緊裝試，第14～16 組均未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。第17 組在2000N·m 時螺紋咬合。不涂咬合劑，按步驟3 以擰緊力矩值750N·m、1250N·m 帶預緊裝試，第14/16 組螺紋未咬合，外螺紋輕微脫屑，旋合正常。第15 組在2000N·m 時螺紋咬合。

第18～20 組試驗結果如下：不涂咬合劑，按步驟2 裝試，第18 組進行750N·m 帶預緊裝試時，螺紋表面有鐵屑，牙頂磨損嚴重，出現咬合。第19 組螺紋未咬合，螺紋表面有少量銅屑脫落，螺紋觸摸拉手，手動旋入緊澀。第20 組螺紋未咬合，螺紋表面正常，旋合正常。不涂咬合劑，按步驟3 以擰緊力矩值750N·m、1250N·m 帶預緊裝試，在1250N·m 時第19/20 組均出現咬合。

對20 組試驗件進行裝試試驗，結果見表3。

表3 試驗結果

1.4 幾種典型螺紋破壞形式

螺栓牙頂拉毛如圖2 所示，螺紋槽中金屬屑，螺母牙頂不連續性點狀分布缺口，個別段牙頂挫平。涂覆層脫落如圖3 所示，但螺紋牙型保持完整。鍍層脫落/金屬層拉絲如圖4 所示，鍍層脫落并堆積于牙槽中，螺紋牙型金屬層拉絲破壞。螺紋牙型粘連撕裂如圖5 所示。

圖2 螺栓牙頂拉毛

圖3 涂覆層脫落

圖4 鍍層脫落/金屬層拉絲

圖5 螺紋牙型粘連撕裂

出現圖2 和圖3 的情況時，螺紋連接副較容易拆卸和復裝，將多余物清理即可。圖4 螺紋連接副拆卸困難，螺紋被破壞，復裝困難。圖5 螺紋連接副咬死，無法拆卸及復裝。

2 螺紋連接咬合因素分析

試驗分別對比了螺紋配合精度（第1～20 組）、螺紋表面強鍍（第9/11 組）、熱處理強度（第8/9 組、第12/13 組）和表面粗糙度（第3/4 組、第10/11 組）等因素對咬合情況的影響。對上述試驗狀況進行分析，15-5PH 不銹鋼螺紋連接咬合的主要原因如下。

第一，加工質量差。觀察此次試驗件，由于該批次試驗用螺紋連接副采用車削加工，與擠壓絲錐加工的螺紋相比，螺紋表面光潔度不太高，部分螺紋表面加工痕跡明顯，觸摸感稍顯粗糙。加上15-5PH 不銹鋼材料本身具有較強的塑性特性，螺紋表面的靜強度和疲勞強度不理想。

第二，安裝預緊力大。一般合金鋼螺栓預緊力推薦F'=（0.5～0.6）σs·As，在航空航天機械中，F'≈0.35σs·As。其中，As為螺紋部分危險截面面積。As≈πd2s/4，ds=（d2+d3）/2，d3=d1-H/6，其中d1為外螺紋的小徑54.376；d2為外螺紋的中徑55.026；ds為螺紋部分危險剖面的計算直徑；H為螺紋牙的公稱工作高度0.5413×1.5；σs為螺栓材料的屈服極限，N/mm2（與強度等級相關，材質決定）。材料15-5PH 不銹鋼材料的屈服強度值為σs=1069MPa。

由F'=（0.5～0.6）σs，As計算出推薦的預緊力值為1253N·m～1503N·m，由F'≈0.35σs，As計算出推薦的預緊力值為877N·m。

分別以擰緊力矩值750N·m、1000N·m、1250N·m、1500N·m、1750N·m 和2000N·m 進行預緊裝試。試驗結果表明，當擰緊力矩值不大于1250N·m 時，擰緊力值越小，螺紋旋合越順暢。當預緊力大于1250N·m 時，大部分螺紋表面局部起絲，旋出緊澀，脫屑嚴重，旋合5 次左右即出現嚴重咬合情況。

第三，螺紋副采用手動旋合方式時，螺紋摩擦速度小，基本不產生熱量，對螺紋副沒有影響。隨著預緊力增大，旋合次數增加，螺紋副間的接觸壓力與摩擦速度迅速增加，螺紋間的黏著磨損程度隨之增大，嚴重時發生拉絲、牙頂磨損及牙型撕裂破壞。

第四，螺紋公差配合要求不合理。此次試驗件共涉及3組不同的螺紋公差配合，即6f/6H、6g/6H 和6h/6H。通過比較可發現，配合精度越高的螺紋副發生咬合的概率比配合精度低的螺紋副更大，粘連撕裂情況更嚴重。

第五，表面強度不高。此次試驗件部分螺栓螺紋進行了表面滾壓強化處（MJ 螺紋），通過比較發現，表面強化后的螺紋副防咬合效果明顯好于非表面強化螺紋副。

第六，表面處理選用不合適。試驗樣本共選用了鈍化、滲氮、鍍鎳和鍍銅4 種不同的表面處理方式。經過比較發現，表面鍍層均出現不同程度的磨損和屑脫落，鍍鎳表面處理防咬合效果較好，鍍銅次之，滲氮效果最差。但所有的表面處理方法均對復裝的清洗提出了較高要求，并且容易將屑末旋入，污染作動筒內腔，不適用于該項目問題的解決。

第七，防咬合劑使用不當。使用防咬合劑美德孚、樂泰76764、樂泰77124 及樂泰76759 涂抹預旋合的螺紋副，均對螺紋連接咬合情況有顯著改善。

第八，熱處理強度值。螺栓與螺母均為（1169±100）MPa 時，硬度值為34～42HRC；當螺栓與螺母強度值為（1410±100）MPa 時，硬度值為40～47HRC。試驗結果表明，熱處理強度值與咬合情況成正比，強度越高，硬度值越高，則螺紋副越不容易咬合。

3 防咬死措施

在工程實際應用中，15-5PH 不銹鋼基材的螺紋副連接不可避免，并且作動筒螺紋連接副拆卸次數較頻繁，該文從設計、加工及安裝維護等多個方面給出了預防螺紋副粘連咬死的解決措施，如圖6 所示，能有效降低其粘連的概率和破壞程度。

圖6 15-5PH 螺紋副防咬死改善措施

4 結語

15-5PH 不銹鋼螺紋副材質硬度低，螺紋粗糙值高、旋合時容易過熱，是引起粘連、咬合的主要原因。選擇合適的精度、表面粗糙度、預緊力以及表面強度，在保證加工質量及安裝規范的基礎上進行鈍化處理，涂覆防咬合劑美德孚、樂泰76764、樂泰77124 及樂泰76759等能有效防止螺紋粘連及咬合。