螺紋滾壓對1240MPa級高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓性能的影響

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所，北京 100024）

鈦合金不僅強(qiáng)度高、重量輕、抗腐蝕、耐高溫，而且與復(fù)合材料電極電位相近。隨著先進(jìn)軍民、用飛機(jī)鈦合金和復(fù)合材料用量的不斷增加，鈦合金被廣泛用來制造航空航天緊固件。 Ti-6Al-4V是近50多年來世界航空緊固件行業(yè)最普遍使用的鈦合金，但其在使用上有兩個方面的限制：（1）強(qiáng)度限制，抗拉強(qiáng)度最高1100MPa；（2）尺寸限制，最大使用尺寸約19mm。基于飛機(jī)減重、高強(qiáng)度性能的目標(biāo)，研究并發(fā)展1240MPa強(qiáng)度等級的鈦合金緊固件以替代合金鋼和不銹鋼緊固件，是世界范圍內(nèi)航空緊固件領(lǐng)域的研究方向[1]。

航空航天對螺栓類緊固件具有較高的疲勞壽命要求，螺栓螺紋的加工要求在熱處理后，采用專用模具進(jìn)行滾壓加工[2]。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和工業(yè)應(yīng)用表明，滾壓加工金屬零件使其表層產(chǎn)生微小塑性變形，能改善金屬材料的晶粒組織，產(chǎn)生冷作硬化現(xiàn)象，即產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這對于提高零件性能、質(zhì)量和使用壽命等具有非常明顯的效果[3-9]。航空航天螺紋緊固件的螺紋滾壓就是利用這一原理來成形螺紋，由于此方法屬于一種無屑加工工藝，不切斷金屬的纖維，使金屬流線保持完整。相比切削加工，滾壓螺紋表面質(zhì)量好，加工效率高，加工的緊固件具有較高的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)踐證明，經(jīng)過滾壓強(qiáng)化后的Ti-6Al-4V高鎖螺栓螺紋性能明顯提高，抗疲勞效果顯著。

Ti-5553高強(qiáng)鈦合金相比Ti-6Al-4V合金，強(qiáng)度更高、淬透性好，但是缺口敏感性更高，易于在應(yīng)力集中部位發(fā)生斷裂。采用此材料制造1240MPa級高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓，需要針對螺紋滾壓強(qiáng)化工藝進(jìn)行研究，研究滾壓參數(shù)對高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓性能的影響，對于高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓的研制具有重要意義。

本文針對Ti-5553高強(qiáng)鈦合金材料的高鎖螺栓進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定滾壓方式對研制高鎖螺栓的抗拉性能和疲勞性能的影響。研究結(jié)果可以為其他牌號的高強(qiáng)鈦合金螺栓研制提供理論指導(dǎo)，并對1240MPa級鈦合金高鎖螺栓的批量生產(chǎn)具有重要的參考價值。

表1 Ti-5553合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)使用材料選為φ6的Ti-5553棒料，其成分見表1。將材料經(jīng)熱鐓、熱處理、磨削、機(jī)加工工序完成的螺栓半成品分別進(jìn)行冷滾壓螺紋和溫滾壓螺紋，然后進(jìn)行組織流線檢測，并經(jīng)后序打孔、沖方、滾R后，進(jìn)行抗拉強(qiáng)度檢測，確定滾壓方式與螺栓性能的對應(yīng)關(guān)系。

航空緊固件MJ螺紋的滾壓在專用滾絲機(jī)上進(jìn)行，模具為一對滾絲輪，滾絲輪的端面制有螺紋。毛坯置于兩滾輪間的支板上，滾絲輪徑向進(jìn)給，同時轉(zhuǎn)動，擠壓毛坯，形成螺紋。此方法在航空航天螺紋緊固件的批量生產(chǎn)上獲得廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是效率高，滾壓φ6的螺紋，單件僅需2～3s。其次，可以節(jié)省材料，同時，滾制的螺紋機(jī)械性能高。本文滾制的螺栓為輕型螺栓，如圖1所示，螺紋為短收尾結(jié)構(gòu)（圖 1（a）），收尾區(qū)和待滾壓螺紋區(qū)（圖1（b））均需進(jìn)行滾壓強(qiáng)化，以滿足螺栓的性能要求。

滾制螺紋所用滾絲輪為小倒角短收尾滾絲輪，設(shè)備為MC-40 CNC數(shù)控滾絲機(jī)，進(jìn)給速度為1mm/s，有效滾壓時間約為1s。分別采用冷滾和溫滾方式進(jìn)行滾壓螺紋，溫滾時采用功率8.5W，溫度360℃。滾制的MJ6×1修正螺紋尺寸如表2所示。

對溫滾和冷滾壓后的螺紋進(jìn)行顯微硬度檢測，如圖2所示，針對螺紋牙頂部位，從螺栓軸心沿徑向至螺紋大徑，分別取 0、1mm、2mm、2.3mm（等同牙底）、2.51mm、2.64mm、2.77mm、2.9mm（等同大徑），共計(jì) 8個點(diǎn)，檢測硬度。針對牙底部位，從螺栓軸心沿徑向至螺紋小徑，分別取0、1mm、2mm、牙底，共計(jì) 4個點(diǎn)，檢測硬度。針對收尾環(huán)槽部位，從螺栓軸心沿徑向至環(huán)槽底徑，分別取0、1mm、2mm、槽底，共計(jì)4個點(diǎn)，檢測硬度。

金相樣品經(jīng)車銑、制樣、打磨和拋光，在鈦合金腐蝕溶液中進(jìn)行浸蝕，采用金相顯微鏡（Optical Microscopy， OM）進(jìn)行觀察和分析?？估囼?yàn)依據(jù)GJB 715.23-2008《緊固件試驗(yàn)方法 拉伸強(qiáng)度》[10]，在CMT5504電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。檢測判斷依據(jù)為Q/9S288-2013《1240MPa級抗拉型平頭鈦合金高鎖螺栓》[11]和Q/9S289-2015《1240MPa級輕型鈦合金高鎖螺栓通用規(guī)范》[12]。

圖1 輕型鈦合金高鎖螺栓Fig.1 Heigh-light titanium hi-bolt

圖2 顯微硬度檢測部位Fig.2 Position for microhardness test

圖3 鈦合金高鎖螺栓通用規(guī)范規(guī)定的螺紋缺陷要求Fig.3 Defects for full form threads in specification

結(jié)果與討論

1 滾壓方式對螺紋成型及組織影響

Q/9S289-2015《1240MPa級 輕型鈦合金高鎖螺栓通用規(guī)范》中規(guī)定頭下圓角和螺紋承載面及中徑以下應(yīng)無不連續(xù)性缺陷，如圖3（a）所示，螺紋非承載面的中徑以上部位的折疊、表面缺陷對于φ6規(guī)格應(yīng)＜0.12mm，如圖 3（b）所示。

在金相顯微鏡下觀察，可以看到冷滾壓螺紋牙頂出現(xiàn)折疊超差的情況比較普遍，如圖4所示，牙頂折疊約153μm深，超過了Q/9S289-2015《1240MPa級輕型鈦合金高鎖螺栓通用規(guī)范》中規(guī)定的φ6規(guī)格折疊深度允許最大值0.12mm的要求，而溫滾壓方式制成的螺紋則滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是因?yàn)?240MPa級鈦合金強(qiáng)度高，常溫下塑性差。螺紋在滾壓成形過程中，材料的塑性變形抗力加大，硬度和強(qiáng)度得到提高，而塑性和韌性下降，即產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象，極易使螺紋牙頂形成裂紋和折疊等缺陷。加熱到一定溫度后， 材料塑性得到改善，起到軟化材料的效果，減小了加工硬化，增加金屬的流動性，因而螺紋滾壓過程中，可以減小牙頂部位折疊深度甚至不會產(chǎn)生折疊缺陷。

表2 MJ6×1修正螺紋尺寸 mm

圖4 冷滾螺紋金相照片F(xiàn)ig.4 Microstructure of cold-rolled thread

Ti-5553高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓溫滾壓螺紋的金相檢測結(jié)果如圖5所示，可以看到，其材料組織由圓粒狀的初生α相和β相轉(zhuǎn)變基體組成，β相基體中存在大量次生α相。滾壓螺紋使材料的組織晶粒發(fā)生形變，各晶粒均沿變形方向變形和扭曲，被拉成條形而成纖維狀，因此從圖5（b）可以看到晶粒流線。從圖5（c）和（d）可以看出，螺紋槽牙型底部金屬表面層的變形最為劇烈，纖維組織被壓扁，難以分辨出晶粒。正是這部分變形層的存在，使晶格產(chǎn)生畸變，位錯運(yùn)動受阻。相鄰晶粒位向不同，為保持連續(xù)性而相互約束，使得材料的塑性變形抗力顯著加大，致使材料的硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降，產(chǎn)生“加工硬化”現(xiàn)象。隨著距表層深度的增加，晶粒變形程度逐漸減小，越接近芯部，如圖5（e）所示，越呈現(xiàn)原始組織的形態(tài)。

2 滾壓方式對抗拉強(qiáng)度的影響

Ti-5553高強(qiáng)鈦合金抗拉強(qiáng)度失效樣如圖6所示，可以看出，失效部位是螺紋部位，說明抗拉型鈦合金高鎖螺栓的抗拉薄弱部位是螺紋。因此，螺紋的加工質(zhì)量對此螺栓的性能將產(chǎn)生直接影響。

圖7顯示了Ti-5553高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓經(jīng)溫滾壓和冷滾壓后的抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果，溫滾壓下的抗拉強(qiáng)度小于冷滾壓的抗拉強(qiáng)度，平均差值約0.5kN。說明冷滾壓時的加工硬化較溫滾壓嚴(yán)重，材料的強(qiáng)度得到提高；溫滾壓下塑性有所改善，加工硬化現(xiàn)象有所緩解。冷滾和溫滾螺紋后的抗拉強(qiáng)度均大于29kN，標(biāo)準(zhǔn)要求為24.2kN，均有20%的富裕量，0.5kN的差值不會影響高鎖螺栓的性能。對于大規(guī)格的高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓，冷擠壓還會使?jié)L絲輪崩齒，造成滾絲輪壽命減小。因此，可以得出結(jié)論，適用于1240MPa級高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓的螺紋滾壓方式為溫滾螺紋。

圖5 溫滾螺紋金相照片F(xiàn)ig.5 Microstructure of warm-rolled thread

3 滾壓方式對螺紋顯微硬度的影響

圖8顯示了溫滾壓和冷滾壓Ti-5553高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓后的螺紋各部位顯微硬度檢測結(jié)果，可以看出冷滾壓后的螺紋各部位的顯微硬度基本都稍高于溫滾壓后的螺紋各部位的顯微硬度。而且無論是螺紋牙頂、牙底還是收尾環(huán)槽，溫滾螺紋和冷滾螺紋后各位置的顯微硬度曲線規(guī)律是一致的。

如圖8（a）所示，從牙頂沿徑向往軸心距離牙頂0.39mm的范圍內(nèi)，顯微硬度逐漸降低；再往軸心至0.6～0.9mm的范圍內(nèi)，顯微硬度急劇升高；再往軸心至芯部，顯微硬度稍有降低。綜觀螺紋牙頂至軸心的顯微硬度，在與牙底等同的位置高度，上下0.2～0.3mm的范圍內(nèi)最高。牙頂顯微硬度偏低，由牙頂向軸心方向約0.3mm的位置，顯微硬度最低，這是由于螺紋毛坯受滾絲輪的擠壓，滾輪牙頂直接與毛坯材料接觸的部分形成螺栓螺紋牙底，促使多余的金屬不斷向上流動而逐步形成牙頂。中徑以上部位的金屬流動不顯著，因而此部位顯微硬度偏低。總體來說，螺紋滾壓使螺紋牙頂部位的部分金屬材料得到硬化。

如圖8（b）和（c）所示，從牙底和環(huán)槽底沿徑向至軸心，顯微硬度檢測結(jié)果顯示兩部位的規(guī)律基本一致，無論從牙底還是環(huán)槽底表面層往下0.38mm處的顯微硬度最高，芯部的顯微硬度偏低。滾輪滾壓螺紋牙底和環(huán)槽的結(jié)果使螺紋牙底和環(huán)槽底表面層一定范圍內(nèi)的材料得到強(qiáng)化。收尾環(huán)槽處由于使用環(huán)槽滾輪單獨(dú)滾壓，硬化層的深度比螺紋牙底的要深。

圖6 Ti-5553抗拉型鈦合金高鎖螺栓抗拉失效照片F(xiàn)ig.6 Ti-5553 fastener fracture samples for tensile test

圖7 Ti-5553高鎖螺栓的抗拉強(qiáng)度對比Fig.7 Comparison of tensile strength for Ti-5553 fasteners

圖8 Ti-5553 高鎖螺栓螺紋各部位顯微硬度Fig.8 Microhardness of different positions for Ti-5553 fastener

結(jié) 論

（1）通過螺紋滾壓試驗(yàn)可以得出結(jié)論：冷滾壓1240MPa級Ti-5553材料高鎖螺栓螺紋時，牙頂易產(chǎn)生缺陷，而溫滾壓可以使材料塑性得到改善，減小牙頂部位折疊深度，使螺紋滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。

（2）溫滾壓螺紋后的1240MPa級高鎖螺栓抗拉強(qiáng)度比冷滾壓的低約0.5kN，但大于29kN，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的24.2kN相比較，仍有20%的富裕量。溫滾壓和冷滾壓均可以使高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的要求。

（3）冷滾壓后的螺紋顯微硬度高于溫滾壓的螺紋顯微硬度，二者均可使材料得到硬化。

綜上所述，適用于1240MPa級高強(qiáng)鈦合金高鎖螺栓的螺紋滾壓方式為溫滾螺紋。

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