不銹鋼螺紋組件安裝失效原因分析及預(yù)防

徐家強，孫曉軍，付建建，柯書忠，高靖靖，李影，周玉寶，王立俊，劉霖

1.河南航天精工制造有限公司研究所 河南信陽 464300

2.河南省緊固連接技術(shù)重點實驗室 河南信陽 464300

1 序言

某不銹鋼螺紋組件在現(xiàn)場裝配時組件的螺母與螺栓咬死，無法擰動。因安裝空間限制（見圖1），操作人員采用套筒與長接桿配合，利用棘輪扳手單向往復(fù)扳擰，長接桿帶動套筒（見圖2）懸空擰入螺母。咬死現(xiàn)象均發(fā)生在螺母距離螺栓尾部端面第5扣螺紋處，咬死的螺栓出現(xiàn)明顯的彎曲變形，如圖3所示。螺栓、螺母所用材料均為1Cr18Ni9Ti鋼，強度均為A2-70，表面處理方式均為電拋光。

圖1 螺紋組件安裝工況

圖2 螺紋組件安裝工具

圖3 失效件的螺栓變形

2 失效件宏觀形貌和機理分析

2.1 失效件宏觀形貌

將失效件在螺栓螺紋處橫向截斷后采用線切割方式將咬死部分沿軸向切開，其宏觀形貌如圖4所示。由圖4可看出，組件的螺母螺紋與螺栓的螺紋咬合不對稱，偏向一側(cè)。間隙較大一側(cè)的螺紋牙出現(xiàn)缺損現(xiàn)象，發(fā)生咬死的螺栓出現(xiàn)明顯彎曲變形。

圖4 失效件宏觀形貌

2.2 失效件微觀觀察與測量

對失效螺紋組件進行壓樣、磨拋等，采用電鏡微觀觀察及測量。通過觀察發(fā)現(xiàn)，組件螺母與螺栓的螺紋咬合不對稱，螺紋牙偏向一側(cè)（見圖5），經(jīng)測量失效件兩側(cè)螺紋間距相差37.2μm（較大側(cè)間隙58.53μm，較小側(cè)間隙21.33μm），說明組件螺母與螺栓軸心偏差過大。

圖5 螺紋間隙較大側(cè)

螺栓的螺紋在間隙偏大的一側(cè)有兩處存在明顯的缺損現(xiàn)象（見圖6），有的螺紋牙在高度方向上磨掉約70%，受損齒形附近存在堆積的多余物（見圖7）。能譜分析結(jié)果表明，堆積的多余物與基體成分相同。對失效件螺紋間隙較小一側(cè)進行微觀檢查，微觀形貌如圖8所示。從圖8可看出，螺母與螺栓的螺紋材料發(fā)生多處黏著。

圖6 螺紋間隙較大側(cè)受損螺紋牙

圖7 多余物堆積

圖8 螺紋間隙較小側(cè)微觀形貌

2.3 失效件螺紋形貌

將發(fā)生咬死的螺紋組件切開后用外力分開，分別對螺栓、螺母的螺紋進行觀察，螺紋宏觀形貌如圖9、圖10所示。由圖可看出，螺栓與螺母間隙較小側(cè)的外螺紋存在明顯磨損、撕脫痕跡，并且內(nèi)螺紋存在堆積的金屬多余物。對多余物進行能譜分析，結(jié)果表明與基體成分一致。因失效件間隙較小側(cè)的螺紋結(jié)合緊密，材料發(fā)生黏著，采用外力分開后，螺栓表面材料發(fā)生明顯的磨損、撕脫和材料轉(zhuǎn)移。磨屑在螺母的螺牙間堆積，對螺紋的旋入和旋出產(chǎn)生了阻塞作用。

圖9 失效件的外螺紋形貌

圖10 失效件的內(nèi)螺紋形貌

2.4 失效件金相分析

對失效結(jié)構(gòu)件采用線切割分開后進行壓樣、磨拋、硝酸酒精浸蝕，組織形貌如圖11、圖12所示。由圖可知，螺栓與螺母的金相組織均為奧氏體，金相組織正常。

圖11 失效件螺栓的金相組織（200×）

圖12 失效件螺母的金相組織（250×）

2.5 失效件尺寸及硬度測量

對同批次未裝配的螺栓進行尺寸測量，結(jié)果見表1。從表1可看出，螺栓大徑、中徑及牙形角尺寸均符合標(biāo)準(zhǔn)值要求。另外，采用M6-6G塞規(guī)檢測同批次螺母的螺紋通止合格，止規(guī)止1.5扣以內(nèi)。

表1 相同批次螺栓尺寸測量值

對失效結(jié)構(gòu)件的螺栓與螺母進行維氏硬度測量，結(jié)果見表2。從表2可看出，螺栓與螺母的材料硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求（標(biāo)準(zhǔn)值≥210HV），但螺栓硬度低于螺母硬度近50HV。

表2 失效件硬度測量值 （HV）

3 綜合分析與討論

3.1 失效機理分析

對失效件螺紋形貌觀察可知，螺栓與螺母的螺紋表面材料發(fā)生黏著，采用外力分開后螺紋表面材料發(fā)生明顯的磨損、撕脫和材料轉(zhuǎn)移。表明螺栓與螺母的螺紋接觸面發(fā)生了固相黏著，外表材料發(fā)生轉(zhuǎn)移，即兩者表面發(fā)生黏著磨損。失效組件的螺母與螺栓的材料均是冷拉態(tài)1Cr18Ni9Ti鋼，并且硬度范圍也相同（均為≥210HV），即同種材料、相同硬度。根據(jù)黏著磨損產(chǎn)生機理[1-3]及摩擦學(xué)理論[4]，金屬摩擦副的互溶性對黏著磨損有很大的影響，互溶性越大，黏著磨損傾向也越大。同種材料之間進行摩擦?xí)r的磨損量比異種材料摩擦?xí)r的磨損量大很多，這是因為同種材料原子排列方式（晶格）相同、原子尺寸大小相同，互溶性較強，在正應(yīng)力的作用下接觸面原子易發(fā)生相互擴散，有更強的黏著傾向。由于分子力的作用使兩個表面發(fā)生焊合，如果外力能克服焊合點的結(jié)合力，相對滑動的表面可繼續(xù)運動，若剪切力發(fā)生在原來的接觸表面上，就不會發(fā)生磨損；若剪切力發(fā)生在強度較低的金屬一側(cè)，則強度較高的材料表面上（失效的螺母）將黏附對偶件（失效的螺栓）的金屬，造成零件表面的耗失，形成黏著磨損。

3.2 失效原因分析

依據(jù)相關(guān)資料[5]，摩擦副之間發(fā)生黏著磨損主要與配合件的材料、接觸壓力及現(xiàn)場裝配等因素有關(guān)。

（1）失效件材料特性分析 金屬摩擦副材料的互溶性對黏著磨損影響很大，互溶性越強，磨損傾向越大。失效組件的螺栓與螺母所用材料為同種材料，均為冷拉態(tài)的1Cr18Ni9Ti鋼，為完全互溶摩擦副，同時對組件硬度測試，結(jié)果表明螺栓與螺母硬度基本相同。摩擦副材料構(gòu)成完全符合發(fā)生黏著磨損的條件。

（2）失效件接觸壓力分析 操作人員在現(xiàn)場裝配組件時，采用棘輪扳手進行扳擰。由失效件的螺栓變形（見圖3）可知，裝配時組件受極大的安裝力矩導(dǎo)致螺栓變形，說明裝配時螺紋間存在極大的接觸壓力。在摩擦速度一定時，黏著磨損量隨著接觸壓力的增加而增大，當(dāng)接觸壓力超過材料硬度的1/3時，黏著磨損量急劇增加，嚴重時導(dǎo)致螺紋組件咬死[6]。

（3）現(xiàn)場裝配工況分析 由螺紋組件安裝工況（見圖1）可知，因空間限制，被連接的基體阻礙扳擰。安裝人員采用套筒與長接桿配合，利用棘輪扳手單向往復(fù)扳擰，長接桿帶動套筒懸空擰入螺母。由于采用螺母與套筒、套筒與長連桿、長連桿與棘輪扳手配合的方式扳擰，所以連接處彼此間存在一定間隙，再加上棘輪扳手單向受力，極易出現(xiàn)施力方向與螺紋軸線不垂直，影響安裝的同軸度，導(dǎo)致裝配時螺母與螺栓發(fā)生偏斜。通過觀察發(fā)現(xiàn)，咬死的螺栓與螺母的螺紋咬合明顯不對稱，整體偏向一側(cè)，如此大的偏心差足以造成一側(cè)的接觸壓力過大，并最終導(dǎo)致整個螺紋發(fā)生咬死現(xiàn)象。

（4）螺紋副存在多余物 螺紋間多余物直接阻礙螺紋間正常旋入，通過微觀觀察和能譜分析，發(fā)現(xiàn)失效件的螺栓與螺母多處存在堆積的多余物，其成分與螺紋基體一致，即多余物是在裝配過程中因螺紋損傷堆積而成。當(dāng)其超過螺紋副間容錯能力時，就會造成螺紋嚴重偏斜，使得螺紋間的接觸壓力增大，阻礙螺紋間正常旋入，導(dǎo)致螺紋副發(fā)生咬死現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文對螺紋組件現(xiàn)場安裝時螺紋咬死故障進行失效分析：選用同種材料作為摩擦副是導(dǎo)致螺紋組件發(fā)生黏結(jié)磨損的內(nèi)因，裝配時螺紋組件在棘輪扳手作用下懸空裝配且單向受力，造成棘輪扳手實際施力方向與螺紋軸線之間不垂直，螺母與螺栓之間發(fā)生嚴重偏斜是導(dǎo)致螺栓組件發(fā)生黏結(jié)磨損的主要原因。

為了降低螺紋咬死風(fēng)險，可采用以下措施來減少咬死現(xiàn)象發(fā)生。

1）對螺紋精度、表面質(zhì)量進行嚴格檢查，在每次裝配前檢查螺紋表面，不得有堆積的多余物。

2）改變螺紋組件材質(zhì)，盡量不使用同系列材質(zhì)作為螺紋配合件。

3）采用扭力扳手，設(shè)定合適的扭力值，控制旋入速度及擰緊力矩。

4）將螺母擰至貼合墊片處再使用扭力扳手進行擰入，避免懸空裝配。

5）安裝時保證相互配合的零件對中，避免偏心安裝。