奧氏體不銹鋼螺紋緊固件摩擦系數(shù)影響因素的試驗研究

徐立軍 范奇達(dá) 張文波 應(yīng)佳舟

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；螺紋緊固件；摩擦系數(shù)；預(yù)緊力；裝夾方式

0 引言

螺紋緊固件雖結(jié)構(gòu)簡單，但應(yīng)用廣泛，是汽車行業(yè)不可或缺的通用零件之一。據(jù)汽車行業(yè)資料顯示，一輛汽車平均所要使用的緊固件約有4 000 多件，種類多達(dá)500 多種[1]。由此，汽車主機(jī)廠對螺紋緊固件的裝配非常重視。更重要的是，螺紋連接的質(zhì)量直接決定了整車的裝配質(zhì)量水平和汽車的安全可靠性。

螺紋連接的質(zhì)量取決于預(yù)緊力的大小。預(yù)緊力過大，螺栓緊固至目標(biāo)扭矩時，所獲得的軸向預(yù)緊力將可能超出設(shè)計極限，造成螺栓出現(xiàn)明顯的頸縮變形。即使當(dāng)時未斷，后續(xù)失效的風(fēng)險也大大增加。預(yù)緊力過小，螺栓緊固后達(dá)不到鎖緊功能，在長期振動載荷或沖擊載荷的作用下會容易松動[2]。所以，螺栓緊固時需控制預(yù)緊力，使其處于合適的范圍。通過研究螺紋擰緊技術(shù)可知，采用扭矩法緊固螺栓，在彈性階段，預(yù)緊力跟摩擦系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，我們可以把對預(yù)緊力的控制轉(zhuǎn)化成對摩擦系數(shù)的控制。

摩擦系數(shù)是指摩擦力與正壓力之間的比值。當(dāng)摩擦面的材料及其表面狀態(tài)還有相應(yīng)潤滑條件確定后，摩擦系數(shù)就可以認(rèn)為是一個材料常數(shù)。但在螺紋連接中，其還與緊固件表面狀態(tài)、制造公差等諸多因素有關(guān)[3]?？梢哉f，影響摩擦系數(shù)值的因素非常多。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.3-2010《緊固件 扭矩- 夾緊力試驗》就對試驗墊片、陪試件及其表面處理狀態(tài)等基準(zhǔn)條件進(jìn)行限制，以確保有良好的重復(fù)性。不過，該國標(biāo)在適用范圍上對螺紋緊固件的材質(zhì)進(jìn)行了限制，但并未涵蓋不銹鋼螺紋緊固件的摩擦系數(shù)檢測。

本文的研究對象是以奧氏體不銹鋼材質(zhì)制成的螺紋緊固件，旨在對其摩擦系數(shù)試驗中可能涉及的多種因素進(jìn)行分析和探討。該研究通過聯(lián)系相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，求同存異，為科學(xué)準(zhǔn)確地測定奧氏體不銹鋼螺紋緊固件摩擦系數(shù)和解決某些現(xiàn)場裝配問題提供有用的參考依據(jù)和方法。

1 摩擦系數(shù)試驗

1.1 試驗原理

螺紋緊固件在彈性擰緊過程中，外力所施加的緊固扭矩可分解為支承面處扭矩和螺紋處扭矩。支撐面處的扭矩因克服摩擦力而被消耗；螺紋處扭矩除用于克服螺紋摩擦，還有一部分轉(zhuǎn)化為軸向夾緊力，可用如下公式表示[4] ：

1.2 試驗的裝夾

依據(jù)GB/T 16823.3-2010《緊固件 扭矩- 夾緊力試驗》6.2節(jié)中試驗夾具的說明，對樣品檢測摩擦系數(shù)時，按內(nèi)外螺紋分類，試驗的裝夾方式有2 種[5] ：一種是適用于螺栓樣品的檢測，另一種適用于對螺母樣品的檢測（圖1）。

1.3 試驗設(shè)備

本文的各組試驗所用設(shè)備為螺紋緊固性能分析試驗機(jī)（圖2）。試驗機(jī)的一頭為驅(qū)動端，可以提供最大為300 r/min的可控轉(zhuǎn)速；另一頭為傳感器集成端，里面含有測定總扭矩和支承面扭矩的扭矩傳感器、測定夾緊力的力傳感器和測定轉(zhuǎn)角的角度傳感器。所有傳感器的精度都控制在±1%，能精確測量螺紋緊固件在緊固過程中產(chǎn)生的總扭矩、支承面扭矩和軸向夾緊力等緊固參數(shù)。通過軟件編程和公式計算，可得到螺紋緊固件的總摩擦系數(shù)、支承面摩擦系數(shù)和螺紋摩擦系數(shù)。所有相關(guān)的檢測數(shù)值和最終結(jié)果都能以電子記錄方式保存。

2 試驗方案及結(jié)果分析

2.1 試驗墊片硬度的不同對摩擦系數(shù)的影響

GB/T 16823.3-2010 在7.2 節(jié)中提供了2 種類型的試驗墊片，即HH 型和HL 型。這2 種墊片的適用對象未在標(biāo)準(zhǔn)中做出限制性的說明，但是提到：在做普通碳鋼螺紋緊固件的摩擦系數(shù)試驗時，需根據(jù)實際經(jīng)驗選定一種類型。憑借大量的實際檢測數(shù)據(jù)，筆者在測試普通碳鋼螺紋緊固件時優(yōu)先選擇HH 型高硬度試驗墊片，目的是為了確保試驗中僅樣品螺栓或螺母的支承面發(fā)生形變。若采用HL 型低硬度試驗墊片，那么頭部內(nèi)凹型螺栓或螺母容易嵌入墊片基體較深，會帶來摩擦系數(shù)的顯著升高。

而對奧氏體不銹鋼螺紋緊固件來說，采用高硬度試驗墊片帶來的負(fù)面效果要顯著大于采用低硬度試驗墊片的。當(dāng)樣品螺栓或螺母的支承面與HH 型高硬度試驗墊片持續(xù)摩擦?xí)r，摩擦接觸點會快速硬化，摩擦痕跡對應(yīng)的有效直徑一直較大，造成支承面摩擦系數(shù)的檢測結(jié)果很大。試驗說明如下。

試驗所用的螺栓為M8×30，10.9 級， 由GH2132 材料制成，表面處理方式為鍍銅。試驗墊片為58.5HRC（HH 型）鋼墊、220HV10（HL 型）鋼墊和與實際情況相符的鑄鐵墊片（可從某總成上切割下來并自己加工）。試驗采用扭矩法，按照GB/T 16823.3-2010 規(guī)定的方式裝夾后，將螺栓直接以10 r/min 的轉(zhuǎn)速擰緊至30.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。按每種墊片分組，每組試驗按10 件測試，取每組試驗結(jié)果的平均值，試驗結(jié)果如表1 所示。

通過比較分析以上3 種類型墊片的試驗可知：對樣件采用扭矩法擰緊，隨著試驗墊片硬度的降低，不銹鋼螺栓的總摩擦系數(shù)和頭部摩擦系數(shù)降低。其中，頭部帶來的變化最為明顯，從HH型到HL 型，相差約有0.060。這樣的差異是非常大的，因為摩擦系數(shù)要求的公差也只有0.060。而HL 型與鑄鐵墊片的檢測結(jié)果非常接近。綜合來看，與普通碳鋼緊固件的試驗條件不同，優(yōu)選HL 型試驗墊片，以貼近現(xiàn)場裝配。

2.2 螺紋磕碰對摩擦系數(shù)的影響

螺紋緊固件在運(yùn)輸周轉(zhuǎn)的過程中，會因外界條件（振動、擠壓等）作用，在螺紋表面出現(xiàn)嚴(yán)重程度不一的螺紋磕碰，而且碰傷的程度因缺少相應(yīng)技術(shù)規(guī)范而無法定量描述和判定。對于非常嚴(yán)重的磕碰，一般認(rèn)為，會帶來擰緊時的扭矩超差報警。但那種目視螺紋存在磕碰，但可徒手?jǐn)Q過螺紋環(huán)規(guī)的螺紋磕碰是可以接收的。其對于摩擦系數(shù)的影響通過下面試驗進(jìn)行驗證。

試驗所用的螺栓為M8×45，10.9 級，由GH2132 材料制成，表面處理方式為鍍銅。試驗螺栓取2 種：一種狀態(tài)為正常螺紋；另一種狀態(tài)為同批次件，但外觀螺紋磕碰明顯（用螺紋環(huán)規(guī)可徒手?jǐn)Q過，其扭矩小于0.50 N·m）。試驗墊片為220HV10（HL 型）。試驗采用扭矩法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規(guī)定，將螺栓直接以10 r/min 的轉(zhuǎn)擰緊至30.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。按每種狀態(tài)分組，每組試驗按10 件測試，取每組試驗結(jié)果的平均值，測試結(jié)果如表2 所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，不管從均值考慮還是附加其離散性分析，螺紋磕碰件的試驗結(jié)果與正常件的無明顯差異?？梢赃@么說，輕微的螺紋磕碰對于其摩擦系數(shù)的影響可以忽略。但若磕碰后的螺紋，擰入時存在大于0.50 N · m 的鎖緊扭矩，則摩擦系數(shù)增大的風(fēng)險將大大提高。

2.3 表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響

表面粗糙度是指物體表面上的微小起伏和不平整的程度。表面摩擦系數(shù)與螺紋緊固件的摩擦系數(shù)存在一定的關(guān)系。資料表明，若試驗墊片的表面粗糙度越大，在螺栓受軸向預(yù)緊力相同的情況下，對應(yīng)的摩擦系數(shù)就越大。以下采用試驗進(jìn)行驗證。

試驗所用螺栓為M10×65，由SUH660 材料制成，表面處理方式為鍍銅（未上減摩穩(wěn)定劑）。試驗墊片采用實配型，且其表面粗糙度有3 種狀態(tài)，分別為Ra0.2、Ra0.8 和Ra3.2。試驗采用軸力控制法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規(guī)定，將螺栓以10 r/min 的速度擰緊至30.0 kN。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。按每種狀態(tài)分組，每組試驗按10件測試，取每組試驗結(jié)果的平均值，試驗結(jié)果如表3 所示。

通過3 種不同粗糙度試驗墊片的檢測結(jié)果可知，試驗墊片的表面粗糙度對受檢試樣的摩擦系數(shù)有一定影響。隨著試驗墊片表面粗糙度由0.2 提高到3.2，摩擦系數(shù)的總值和支承面部分有增大的趨勢，支承面相差0.070，螺紋部分可視為不變。但這種增大的趨勢在一定的區(qū)間（0.200 ～ 0.800），表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響并不明顯，至少從檢測數(shù)據(jù)上看不出來。這種情況正好與GB/T 16823.3-2010 中7.2 節(jié)試驗墊片的要求相對應(yīng)。因此，試驗墊片表面粗糙度需要嚴(yán)格符合GB/T 16823.3-2010 中7.2 節(jié)中的要求。但若需做偏差試驗，需要在試驗報告中對試驗墊片的表面粗糙度做出說明。

2.4 不同表面處理的陪試件對摩擦系數(shù)的影響

對于陪試件，國標(biāo)中推薦了2 種表面狀態(tài)：一種是表面未鍍層，要求表面狀態(tài)良好并且脫脂處理過；另一種是按ISO 4042標(biāo)準(zhǔn)要求的鍍鋅。另外，因其他相關(guān)的車企標(biāo)準(zhǔn)，有涉及與試樣相同表面處理的陪試件，所以一并納入本次試驗進(jìn)行對比研究。

樣件為規(guī)格M10 的六角法蘭螺母，由SUH660 材料制成，表面處理方式為鍍銅。陪試件為六角螺栓或六角法蘭螺栓，表面處理有3 種狀態(tài)，即本色、鍍藍(lán)白鋅和鍍銅（圖3）。試驗采用扭矩法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規(guī)定，將螺母直接以10 r/min 的轉(zhuǎn)擰緊至50.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。按每種狀態(tài)分組，每組試驗按10 件測試，取每組試驗結(jié)果的平均值，試驗結(jié)果如表4 所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，試驗過程中無論采用哪種狀態(tài)的陪試件，試驗得到的樣件螺紋部分摩擦系數(shù)均約為0.14，各自實驗結(jié)果中得到的總摩擦系數(shù)也近似相等。由此可見，試驗過程中使用標(biāo)準(zhǔn)中要求的任一陪試件對試樣的摩擦系數(shù)值幾乎沒有影響。但有相關(guān)車企標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，陪試件只能采用同狀態(tài)表面處理。這是因為摩擦系數(shù)是一個相對值，摩擦系數(shù)為0.170 ～ 0.230 的試樣在摩擦系數(shù)為0.300 的試驗墊片或陪試件上，體現(xiàn)出來的摩擦系數(shù)還是0.170 ～ 0.230；但在摩擦系數(shù)為0.200 的試驗墊片或陪試件上，則體現(xiàn)出來的摩擦系數(shù)只有0.170 ～ 0.200。換言之，2 種不同狀態(tài)的表面接觸摩擦，體現(xiàn)的是較低方的值。而試樣和陪試件采用同一表面處理狀態(tài)，摩擦系數(shù)相同，就不會出現(xiàn)上述提及的失真風(fēng)險。

2.5 擰緊速度對摩擦系數(shù)的影響

對于擰緊速度，國標(biāo)中有明確的規(guī)定：常見規(guī)格M3 ～ M16的螺紋件，控制的擰緊速度為10 ～ 40 r/min。但是現(xiàn)場裝配過程中，出于生產(chǎn)節(jié)拍的需要，往往會提高裝配速度。轉(zhuǎn)速過快，意味著表面摩擦程度的加劇，會增大摩擦系數(shù)。為確定擰緊速度對摩擦系數(shù)的影響，進(jìn)行如下試驗。

試驗所用的螺栓為M8×30，10.9 級，由GH2132 材料制成，表面處理方式為鍍銅，試驗墊片220HV10（HL 型）。試驗采用扭矩法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規(guī)定，將螺栓直接以4種不同的速度擰緊至30.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。按每種狀態(tài)分組，每組試驗按10件測試，取每組試驗結(jié)果的平均值，試驗結(jié)果如表5 所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，擰緊速度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，試驗的檢測結(jié)果保持不變。當(dāng)擰緊速度提高至100 r/min 及以上，摩擦系數(shù)就開始增大。所以，對于不銹鋼螺紋緊固件，在實驗室條件下檢測，需要設(shè)定合理的擰緊速度。對于實際的現(xiàn)場裝配，不能單一的高速擰緊，采用先高速擰緊，在支承面一貼合后，換為常速擰緊就顯得更加合理。

2.6 多次擰緊對摩擦系數(shù)的影響

螺紋緊固件在表面處理后，一般需要在其表面涂上一層潤滑劑，如上油、上蠟、減摩劑或封閉劑，以確保摩擦系數(shù)的散差足夠小。但因潤滑涂層較薄，多次拆擰后，表面磨損，摩擦系數(shù)會很快升高。這樣對獲得穩(wěn)定可靠的夾緊力是非常不利。對于不銹鋼螺紋緊固件，因其服役環(huán)境的需要，常選用鍍銅的表面處理方式，以防燒結(jié)?，F(xiàn)從試驗的角度分析其可重復(fù)裝配的次數(shù)，對于實際應(yīng)用也有一定的指導(dǎo)意義。

試驗所用的螺栓為M8×40，10.9 級，由SUH660 材料制成，表面處理方式為鍍銅。試驗墊片為與實際情況相符的低硬度的鑄鐵墊片和大眾標(biāo)準(zhǔn)VW 01131 提到的KTL 墊片。試驗采用扭矩法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規(guī)定，將螺栓直接以10 r/min的速度擰緊至30.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統(tǒng)一，保持一致性。試驗以墊片類型分組，每組試驗按3 件測試，每件擰5 次，檢測數(shù)據(jù)如表6 所示。

從試驗數(shù)據(jù)可以看出，多次擰緊對支承面的影響最大。隨著貼合面的不斷磨損，摩擦系數(shù)有變大的趨勢，軸向力也隨之降低。按照VW01126-1 的要求，施加30.00 N · m 的扭矩，規(guī)定摩擦系數(shù)為0.090 ～ 0.150 的條件下，軸力不能小于14 kN。對比而言，鑄鐵墊片的檢測結(jié)果優(yōu)于KTL 的，這說明多次擰緊試驗的條件要基于實際情況。若只是嚴(yán)扣標(biāo)準(zhǔn)要求，反而結(jié)果體現(xiàn)不出實際的意義?？梢赃@么說，在模擬或?qū)嶋H裝配條件下，不銹鋼螺紋緊固件5 次之內(nèi)的拆裝擰緊對連接副的可靠風(fēng)險影響不大。

3 試驗結(jié)論

通過多組摩擦系數(shù)試驗和對比分析，對于奧氏體不銹鋼螺紋緊固件，可以得出以下結(jié)論。

（1）奧氏體不銹鋼螺紋緊固件的支承面的摩擦系數(shù)隨著墊片硬度的減小而顯著降低。檢測摩擦系數(shù)時，建議使用HL 型墊片。

（2）不是所有的螺紋磕碰都會對其摩擦系數(shù)帶來改變。當(dāng)螺紋擰入時的鎖緊扭矩小于0.50 N · m，則螺紋磕碰對于其螺紋的摩擦系數(shù)的影響可以忽略。

（3）表面粗糙度在Ra0.2 ～ Ra0.8 時，表面粗糙度對摩擦系數(shù)的影響不明顯；隨著表面粗糙度增至Ra3.2，支承面的摩擦系數(shù)開始變大。

（4）使用國標(biāo)中要求的陪試件對試樣的摩擦系數(shù)幾乎沒有影響；而使用相同表面處理工藝的陪試件，能有效避免檢測數(shù)據(jù)的失真。

（5）擰緊速度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)幾乎沒有的影響；當(dāng)擰緊速度提高至100 r/min 及以上時，摩擦系數(shù)就開始明顯增大。

（6）多次擰緊試驗的條件要基于實際情況，且奧氏體不銹鋼螺紋緊固件5 次之內(nèi)的拆裝擰緊對連接副的可靠風(fēng)險影響不大。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文的研究分析可以得出，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16823.3-2010《緊固件扭矩- 夾緊力試驗》不僅適用于碳鋼和合金鋼制造的緊固件，同樣也適用于奧氏體不銹鋼制造的螺紋緊固件。但是由于材質(zhì)的不同，選用試驗墊片硬度和粗糙度時應(yīng)合理，以盡可能貼近實際條件。此外在裝配過程中，對于表面螺紋出現(xiàn)輕微磕碰但未影響基體的緊固件，可以帶條件裝配。擰緊速度應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行合理控制。對于后續(xù)需拆卸多次的螺紋副，它們的拆卸和擰緊最多可進(jìn)行5 次，不會對其可靠性造成太大的風(fēng)險。