不銹鋼螺紋副咬死機(jī)理分析與預(yù)防解決措施

唐紹鋒，萬(wàn)舒晨，齊 歆，朱紅民

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

0 引言

不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕性、耐熱性以及較高的材料強(qiáng)度，所以不銹鋼螺紋連接在航天工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普遍，然而最近幾年已經(jīng)發(fā)生了多起不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題。由于航天產(chǎn)品的特殊性，如果不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題不能被妥善、有效地解決，就會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和飛行試驗(yàn)任務(wù)進(jìn)度的推遲，特別是如果發(fā)生咬死問(wèn)題的不銹鋼螺紋副涉及到火工產(chǎn)品，還可能造成重大的安全問(wèn)題。

本文通過(guò)一個(gè)在航天飛行器產(chǎn)品總裝過(guò)程中發(fā)生的不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題，根據(jù)磨損理論對(duì)不銹鋼螺紋副咬死機(jī)理進(jìn)行了分析，最后給出了預(yù)防和解決咬死問(wèn)題的措施。

1 問(wèn)題描述

某型號(hào)產(chǎn)品在總裝廠進(jìn)行部段對(duì)接時(shí)，對(duì)接面使用4 個(gè)爆炸螺栓將前艙與后艙連接起來(lái)。當(dāng)總裝工人將4 個(gè)螺栓旋入對(duì)應(yīng)螺母后分輪次逐個(gè)施加擰緊力矩時(shí)，其中1 個(gè)螺栓配套的彈墊無(wú)法壓平。設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)要求將4 個(gè)爆炸螺栓都從產(chǎn)品上分解，確認(rèn)情況后重新安裝。在分解螺栓時(shí)，僅有2 個(gè)爆炸螺栓能夠勉強(qiáng)分解下來(lái)，另外2 個(gè)爆炸螺栓與相配套的螺母完全咬死，施加分解力矩大于200 N·m 后仍無(wú)法分解。因?yàn)楸菟榛鸸ぎa(chǎn)品，考慮到安全因素對(duì)未能分解的2 個(gè)螺栓實(shí)施了安全引爆。分解下的螺栓及引爆后的咬死螺紋副如圖1 所示，螺栓螺紋有明顯損傷，由于無(wú)法分解而引爆的螺栓與其配套螺母在螺栓螺紋前4 扣出現(xiàn)了螺紋咬死現(xiàn)象。

圖1 螺紋損傷及螺紋副咬死情況

2 機(jī)理分析

磨損理論[1]將相互接觸的物體在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，表層材料不斷損失、轉(zhuǎn)移或產(chǎn)生殘余變形的現(xiàn)象稱(chēng)為磨損，它是伴隨著摩擦而產(chǎn)生的必然結(jié)果。磨損現(xiàn)象按照機(jī)理分類(lèi)可分為粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損以及沖擊磨損。

粘著磨損定義為當(dāng)摩擦副相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，由于粘著效應(yīng)所形成的結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，接觸表面的材料從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面的現(xiàn)象。咬死是粘著磨損中一種最為嚴(yán)重的情況。

粘著磨損的機(jī)理為：①在一定的法向載荷作用下，微凸體接觸，發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生粘著；②在相對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中，剪切粘著點(diǎn)，材料就會(huì)從一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另外一個(gè)表面，形成磨損；③一部分轉(zhuǎn)移的材料分離，從而形成游離磨粒；④再形成新的粘著點(diǎn)。接觸—塑性變形—粘著—材料轉(zhuǎn)移—再粘著，循環(huán)不斷地進(jìn)行，構(gòu)成粘著磨損的全過(guò)程（圖2）。當(dāng)粘著點(diǎn)面積較大、螺紋副材料的剪切強(qiáng)度小于粘著結(jié)合力時(shí)，就容易產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。

圖2 單個(gè)微凸體粘著磨損模型

決定粘著磨損的產(chǎn)生及嚴(yán)重程度的因素有以下9 個(gè)。

（1）材料的冶金相溶性。相同金屬或冶金相溶性大的材料摩擦副易發(fā)生粘著磨損，異種金屬或冶金相溶性小的材料摩擦副抗粘著磨損能力較高，金屬與非金屬摩擦副抗粘著磨損能力高于異種金屬摩擦副。

（2）材料的硬度。硬度高的金屬比硬度低的金屬抗粘著能力強(qiáng)，表面接觸應(yīng)力大于材料硬度的1/3 時(shí)，很多金屬將由輕微磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲?yán)重的粘著磨損，而且摩擦副材料間的硬度相差越大越不容易產(chǎn)生咬死現(xiàn)象。

（3）材料的塑性。材料的塑性越大，越容易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象。

（4）材料的熱物理性能。在高溫使用環(huán)境下，摩擦副材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該一致或接近。

（5）載荷。粘著磨損一般會(huì)隨著法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加。

（6）速度。隨著滑動(dòng)速度的變化，磨損類(lèi)型會(huì)由一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式：當(dāng)摩擦速度很低時(shí)主要是氧化磨損，磨損量很??；隨著速度的增大，氧化膜破裂，金屬間直接接觸，轉(zhuǎn)化為粘著磨損，磨損量顯著增大；滑動(dòng)速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜形成，又轉(zhuǎn)化為氧化磨損，磨損量又減小；如果速度再增大，將再次轉(zhuǎn)化為粘著磨損，磨損量又開(kāi)始增加。

（7）溫度。表面溫度升高可使?jié)櫥な?、材料硬度下降，摩擦表面容易產(chǎn)生粘著磨損。

（8）潤(rùn)滑。在潤(rùn)滑油、潤(rùn)滑脂中加入油性或極壓添加劑能提高潤(rùn)滑油膜吸附能力及油膜強(qiáng)度，能成倍地提高抗粘著磨損能力。

（9）摩擦副表面質(zhì)量。表面質(zhì)量越好，磨損量越小。

下面根據(jù)磨損理論對(duì)前述螺紋副咬死機(jī)理進(jìn)行分析。

爆炸螺栓所用材料為13Cr11Ni2W2MoV（GJB 2294A—2014[2]），是馬氏體型不銹鋼，表面進(jìn)行電刨光；螺母所用材料為05Cr17Ni4Cu4Nb（GB/T 1220—2007[3]），是沉淀硬化型不銹鋼，不作表面處理。

對(duì)爆炸螺栓及螺母分別進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，螺栓的平均硬度為34.6 HRC，螺母的平均硬度為40.3 HRC。

將咬死的螺栓與螺母置于掃描電鏡下進(jìn)行觀察，損傷區(qū)域存在明顯的物質(zhì)轉(zhuǎn)移堆積現(xiàn)象，部分損傷區(qū)域可見(jiàn)明顯的剪切韌窩形貌（圖3、圖4）。能譜分析損傷區(qū)域得到了螺栓與螺母材料的基體成分，表明螺紋副在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生了相互的物質(zhì)轉(zhuǎn)移。形貌及成分分析結(jié)果表明螺紋副在安裝的過(guò)程中發(fā)生粘著磨損、局部區(qū)域形成了冷焊，并在強(qiáng)拆過(guò)程中冷焊區(qū)域發(fā)生剪切破壞。

圖3 損傷區(qū)域磨損及物質(zhì)轉(zhuǎn)移形貌

圖4 損傷區(qū)域局部剪切韌窩形貌

綜合分析認(rèn)為：爆炸螺栓與螺母為細(xì)牙連接；組成螺紋副的兩種材料冶金相溶性大，塑性較大，硬度都不高、并且相差不大；總裝工人在現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)并未按設(shè)計(jì)要求在爆炸螺栓螺紋上涂潤(rùn)滑脂；而且工藝也沒(méi)有約束施加擰緊力矩的量化措施（可能因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)快而造成螺紋副表面溫度升高）。在上述原因的共同影響下，發(fā)生了爆炸螺栓與配套螺母螺紋副咬死的問(wèn)題。

3 預(yù)防與解決措施

3.1 預(yù)防措施

對(duì)應(yīng)決定粘著磨損的產(chǎn)生及嚴(yán)重程度的影響因素，預(yù)防螺紋副咬死的措施有[4]：

（1）設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化材料選型，盡量選擇異種金屬或冶金相溶性小、硬度差別大的材料組成螺紋副，在高溫使用環(huán)境下螺紋副材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)該一致或接近。

（2）增大配合螺紋的牙尖和牙底間隙。

（3）提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，對(duì)螺紋精度、表面質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

（4）控制擰緊力矩，擰緊力矩不宜過(guò)大。

（5）采用合適的潤(rùn)滑劑或抗咬合劑。

（6）控制擰緊工藝，規(guī)定旋入、旋出的速度，避免速度過(guò)快。

（7）安裝時(shí)保證相互配合零件的對(duì)中，防止偏心安裝。

（8）嚴(yán)格控制多余物，對(duì)螺紋表面進(jìn)行清潔。

3.2 解決措施

一旦發(fā)生螺紋咬死問(wèn)題，一般有以下解決措施。

（1）外部潤(rùn)滑、加大力矩、振動(dòng)。一般情況下，加大拆卸力矩是在遇到咬死問(wèn)題時(shí)最先考慮的方法。在拆除工作開(kāi)始前從螺紋外部向螺紋副注入潤(rùn)滑劑，使用扳手進(jìn)行拆卸，拆卸過(guò)程中根據(jù)實(shí)際情況逐步加大力矩，并在螺栓端部沿軸線方向加以敲擊振動(dòng)，使螺栓與螺母間的咬合松動(dòng)。這種方法的風(fēng)險(xiǎn)很大，如果無(wú)休止地加大力矩，最終可能會(huì)使螺栓斷裂或螺栓雖然拆出來(lái)了但螺栓及螺母的螺紋被損壞。

（2）采用平衡器、風(fēng)動(dòng)扳手與螺栓拆取器[5]。螺栓拆取器以螺栓軸線為基準(zhǔn)，通過(guò)夾具固定在螺栓外表面，因而產(chǎn)生的扭矩一定是以螺栓軸線為中心，既解決了偏載問(wèn)題，又可以把扭矩最大限度地傳送到螺栓。通過(guò)風(fēng)動(dòng)扳手的振動(dòng)，振動(dòng)氧化層及咬合面，從而達(dá)到松動(dòng)螺栓繼而拆除螺栓的目的。平衡器的使用則使得螺栓在拆卸過(guò)程中減少了螺紋副之間的摩擦力，并使得螺栓在沿軸線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中能夠自動(dòng)保持其運(yùn)動(dòng)方向，降低了因螺栓沿軸向偏擺帶來(lái)的額外風(fēng)險(xiǎn)。該方法比方法（1）有效，但是使用的工裝制造成本高、經(jīng)濟(jì)性差。

（3）液氮深冷[6]。對(duì)螺栓進(jìn)行局部液氮速冷，在液氮深冷條件下（-196 ℃），螺栓直徑會(huì)微量縮小，螺母內(nèi)螺紋的尺寸不變或微量變大，螺紋副間的間隙變大，不銹鋼的“粘”性降低，強(qiáng)度提高，這便于螺栓拆卸。該方法已成功應(yīng)用于解決某型航天運(yùn)載器不銹鋼螺釘咬死問(wèn)題，但要特別考慮操作安全性問(wèn)題。

（4）破壞性拆除。破壞性拆除包括電火花加工、金屬粉碎加工、加熱法以及常規(guī)機(jī)械加工。

隨著科技的進(jìn)步，會(huì)有越來(lái)越多的新技術(shù)和新工藝應(yīng)用到實(shí)際工作中，這些技術(shù)和工藝各有利弊[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

從經(jīng)濟(jì)性、安全性等諸方面考量，不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題的事前預(yù)防要比事后解決重要得多。預(yù)防不銹鋼螺紋副咬死涉及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)（材料選型、螺紋間隙等）、生產(chǎn)（加工精度、表面質(zhì)量等）、檢驗(yàn)（剔除不合格品等）、操作（涂潤(rùn)滑劑/抗咬合劑、施加擰緊力矩的方式方法等）等多個(gè)環(huán)節(jié)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都可能導(dǎo)致不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題。所以預(yù)防不銹鋼螺紋副咬死問(wèn)題需要設(shè)計(jì)人員、生產(chǎn)人員、檢驗(yàn)人員、工藝人員和裝配人員共同努力。