藥曉江 王 鍇 * 高 磊 張曉斌 劉 暢

(1、中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459 2、航天精工股份有限公司，天津 300300 3、天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津市現(xiàn)代化機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387)

1 概述

石油是“國民經(jīng)濟(jì)的血液”，也是國家的重要能源和戰(zhàn)略資源。隨著對石油資源需求的不斷增加，石油勘探從近海、淺海逐步走向遠(yuǎn)海、深海。同時(shí)，遠(yuǎn)海和深海處的溫度、壓力和腐蝕條件也導(dǎo)致石油勘探環(huán)境更加惡。這對石油勘探設(shè)備的材料性能也有了更高的要求[1]。鈦合金以其高比強(qiáng)度、抗腐蝕和耐高溫等優(yōu)異特性受到了石油勘探工業(yè)界的廣泛關(guān)注，成為了石油勘探設(shè)備的首選工業(yè)材料[2]。雖然鈦是活性較高的金屬，但是鈦表面形成的氧化鈦膜為鈦合金提供了良好的抗腐蝕性能。與1Cr18Ni9、LF2和B30等耐腐蝕金屬材料相比，鈦合金在流動(dòng)海水中的腐蝕速率是極低的[1]。這保證了石油勘探設(shè)備可靠性，降低了維修成本，延長了使用壽命。

鈦合金緊固件在石油勘探設(shè)備中有著大量的應(yīng)用。緊固件是機(jī)械制造行業(yè)中的一種關(guān)鍵零件，它的制造工藝和質(zhì)量對各類機(jī)械產(chǎn)品的壽命有著直接影響。緊固件上的螺紋加工方法主要有切削螺紋、滾壓螺紋、套螺紋和攻絲等。在中小型緊固件的制造方法中，滾壓螺紋技術(shù)憑借其低成本、高效率、高材料利用率等優(yōu)點(diǎn)有著很好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，在批量加工外螺紋中得到了廣泛的應(yīng)用[3]，并正在逐步淘汰切削螺紋。滾壓螺紋相比于切削螺紋還包括以下優(yōu)點(diǎn)：因應(yīng)變硬化提高了硬度，同時(shí)引入了殘余壓應(yīng)力，提高了材料的疲勞強(qiáng)度[4]。

國內(nèi)外的學(xué)者們對滾壓螺紋在解析建模、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究等方面做了大量的研究。在數(shù)值模擬方面，程明龍等人[5]基于Abaqus/standard模塊建立了滾壓螺紋的三維有限元模型，得到了滾輪參數(shù)對螺栓殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。Domblesky和Feng[6]利用DEFORM軟件建立了外螺紋滾壓的二維和三維有限元模型，模擬的顯微硬度分布、金屬流動(dòng)和螺紋輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。Zhang等人[7]基于晶體塑性有限元法(CPFEM)和Voronoi多面體理論，建立了螺紋滾壓成形的多晶體模型，研究了金屬的流動(dòng)性。在解析建模方面，崔鑫和趙永強(qiáng)[8]對三滾絲輪滾壓螺紋時(shí)工件的直徑和受力進(jìn)行了分析。鄭向周[9]對滾絲輪與螺紋的嚙合過程和運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了分析。在實(shí)驗(yàn)研究方面，趙慶云等人[10]研究了螺紋滾壓對高強(qiáng)鈦合金螺栓性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)與冷滾壓相比，溫滾壓螺紋更適用于高強(qiáng)鈦合金螺栓。大連理工大學(xué)的袁喜林[11]研究了滾壓參數(shù)對螺栓表面粗糙度和顯微硬度的影響，并利用方差分析和回歸分析得到了它們的關(guān)系模型。王曉鋒等人[12]分析了304不銹鋼滾壓螺紋的微觀組織和力學(xué)性能，并和套絲加工的螺紋進(jìn)行了對比研究。研究結(jié)果表明滾壓螺紋的力學(xué)性能優(yōu)于套絲加工的螺紋。

可以看出學(xué)者們對滾壓螺紋進(jìn)行了許多研究，但是對于立式和臥式滾壓外螺紋的微觀組織及性能還研究較少。因此，本文研究了TC16鈦合金臥式和立式冷滾壓外螺紋的微觀組織及性能，對滾壓螺紋不同位置處的金相組織和顯微硬度進(jìn)行了觀察和測量分析，探究了牙頂折疊的形成原因。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 試樣制備

如圖1所示，選用了立式和臥式這兩種滾絲方式成形的緊固件進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)中緊固件試樣的材料為TC16，材料經(jīng)熱鐓、熱處理、車削、磨削、滾絲等主要工序后成形。為了觀察緊固件螺紋處的微觀組織，利用線切割將緊固件沿著軸線方向切開，對試樣進(jìn)行鑲嵌，并對鑲嵌試樣進(jìn)行研磨、拋光和腐蝕。腐蝕溶液為2ml HF+4 ml HNO3+100 ml H2O，腐蝕時(shí)間為5s-15s。

圖1 實(shí)驗(yàn)所用螺栓

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用掃描電子顯微鏡（型號：ZEISS Sigma300）對立式滾絲和臥式滾絲兩種緊固件的微觀組織進(jìn)行觀察分析。利用顯微硬度計(jì)（型號：HV-1000）對螺紋的牙頂、牙側(cè)、牙根和牙底的顯微硬度進(jìn)行測量，試驗(yàn)力為0.05 kgf，加載時(shí)間為10s，每個(gè)測量點(diǎn)的相鄰步長為20μm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 微觀組織

TC16鈦合金螺栓的金相組織形貌如圖2所示。從圖中可以觀察到初生α相和轉(zhuǎn)變β相基體，并且β相基體中存在部分次生α相。圖3所示為立式和臥式滾壓螺紋牙底位置處的晶粒流線?？梢园l(fā)現(xiàn)沿著滾絲輪的進(jìn)給方向上，晶粒被拉長或擠壓變形成長條狀或纖維狀，并且排布更加緊密。立式和臥式滾壓螺紋牙底處的變形層厚度分別為150.7 μm和83.6 μm。變形層厚度的區(qū)別是由于牙底曲率的不同。當(dāng)牙底的曲率增加時(shí)，牙底變形層的厚度相應(yīng)增加，同時(shí)晶粒流線的曲率也會(huì)增加。在滾絲輪擠壓材料的過程中，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了形變，發(fā)生冷態(tài)塑性變形，進(jìn)而引起位錯(cuò)增殖，同時(shí)位錯(cuò)密度增加[10]。而變形層處的晶格畸變造成局部微觀應(yīng)力提高，阻礙了位錯(cuò)滑移的進(jìn)一步形成。當(dāng)位錯(cuò)受到阻礙時(shí)，材料的塑性變形抗力得到提高，導(dǎo)致材料的硬度和強(qiáng)度增加，從而產(chǎn)生了加工硬化的現(xiàn)象。從圖3中進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離牙底的距離逐漸增加，晶粒變形的程度也逐漸降低。

圖2 TC16的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖3 滾絲螺紋牙底處晶粒流線(a)立式(b)臥式

圖4所示為立式和臥式滾壓螺紋不同位置處的微觀組織結(jié)構(gòu)。可以發(fā)現(xiàn)在牙頂、牙側(cè)和牙根處都出現(xiàn)了變形層，但是螺紋不同位置的變形程度有所不同。在變形區(qū)內(nèi)選取五個(gè)位置測量其厚度，并將五次結(jié)果取平均值來量化螺紋不同位置的變形區(qū)厚度，測量結(jié)果如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)立式和臥式滾壓對螺紋不同位置變形區(qū)的厚度幾乎沒有影響，但是螺紋不同位置變形區(qū)的厚度存在較大差異。變形層厚度大小依次為：牙底>牙根>牙側(cè)>牙頂。對螺紋不同位置變形區(qū)中的晶粒進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)不同位置的晶粒細(xì)化程度也不同。晶粒細(xì)化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側(cè)>牙頂。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于在滾絲過程中螺栓不同位置受力大小不同，因此晶粒細(xì)化程度也不盡相同?；谧钚∽枇Χ?，在滾絲過程中，材料內(nèi)部的微觀組織會(huì)向阻力最小的地方流動(dòng)[12]。如圖3所示，牙底處的材料只能向螺栓芯部或牙底兩側(cè)流動(dòng)；如圖4所示，牙側(cè)處的材料會(huì)沿著滾絲輪牙形流動(dòng)，而受牙底、牙根和牙側(cè)處材料流動(dòng)方向的影響，部分材料自然而然地流向滾絲輪牙底處從而形成螺栓的牙頂。

圖4 立式和臥式滾絲螺紋的微觀組織結(jié)構(gòu)(a)牙頂（立式）(b)牙中（立式）(c)牙根（立式）(d)牙頂（臥式）(e)牙中（臥式）(f)牙根（臥式）

表1 立式和臥式滾絲螺紋不同位置的變形區(qū)厚度

目前，采用螺紋冷滾壓工藝會(huì)產(chǎn)生一些加工缺陷，如主要發(fā)生在螺紋根徑的發(fā)紋和螺紋頂部的折疊，并且這些缺陷比較普遍[13]。如圖5所示，根據(jù)缺陷出現(xiàn)的位置不同，有些發(fā)紋和折疊是允許發(fā)生的（如圖5中的虛線）。但是由于缺陷會(huì)引起螺栓強(qiáng)度弱化，在承載面及中徑以下或超過一定深度的缺陷是不允許的（如圖5中的實(shí)線）。如圖6所示，在立式和臥式兩種螺栓的牙頂處都發(fā)現(xiàn)了折疊的缺陷，折疊的深度分別為19.4 μm和17.9 μm，該缺陷滿足允許發(fā)生的要求。在螺栓的中徑和牙根等其他部位沒有觀察到缺陷發(fā)生。對折疊處進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)在折疊邊緣的晶粒也被拉長變形。圖7給出了牙頂折疊形成原理示意圖。如圖7(a)所示，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是當(dāng)滾絲輪與工件接觸時(shí)，滾絲輪的牙頂擠壓工件形成螺栓的牙底，同時(shí)在這個(gè)過程中金屬材料向滾絲輪的牙底方向移動(dòng)；如圖7(b)所示，當(dāng)滾絲輪進(jìn)一步擠壓工件材料時(shí)，工件材料與滾絲輪螺紋牙兩側(cè)的摩擦力不同，導(dǎo)致滾絲輪的單個(gè)螺紋牙中的工件材料出現(xiàn)了不同高度；如圖7(c)所示，當(dāng)滾絲輪擠壓完成時(shí)，工件材料的高低不同最終造成了螺栓牙頂折疊的發(fā)生。

圖5 滾壓螺紋缺陷示意圖

圖6 牙頂折疊(a)立式(b)臥式

圖7 牙頂折疊形成原理示意圖

3.2 顯微硬度

由于材料內(nèi)部塑性變形的影響，顯微硬度會(huì)發(fā)生變化，出現(xiàn)加工硬化的現(xiàn)象。經(jīng)測量，螺栓芯部的顯微硬度為336±8 HV。圖8給出了立式和臥式滾壓螺紋不同位置處的顯微硬度變化曲線?？梢钥闯鰸L壓后螺紋不同位置的顯微硬度均高于螺栓芯部的。隨著距離牙頂、牙側(cè)、牙根和牙底越遠(yuǎn)，顯微硬度大致呈現(xiàn)降低的趨勢。滾壓螺紋時(shí)，滾絲輪的牙頂擠壓工件形成螺栓牙底，同時(shí)在這個(gè)過程中金屬材料向上移動(dòng)最終形成螺栓牙頂。越靠近螺栓牙頂處金屬材料的流動(dòng)性越低，這就造成了牙頂處的微觀組織變形最小，因此硬化程度最低。而牙底處的微觀組織變形和積聚最為嚴(yán)重，因此牙底處的硬化程度最為顯著。此外，顯微硬化程度也與晶粒細(xì)化程度有關(guān)。因此，螺紋各個(gè)位置顯微硬化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側(cè)>牙頂。

圖8 滾絲螺紋不同位置的顯微硬度梯度曲線

4 結(jié)論

4.1 在TC16鈦合金螺栓滾壓螺紋過程中，晶粒被擠壓變形，且排布更加緊密，形成了一定厚度的變形層。當(dāng)牙底的曲率增加時(shí)，牙底變形層的厚度相應(yīng)增加，同時(shí)晶粒流線的曲率也會(huì)增加。螺紋不同位置的變形層厚度大小依次為：牙底>牙根>牙側(cè)>牙頂。

4.2 出現(xiàn)牙頂折疊的現(xiàn)象可能是由于滾絲輪的單個(gè)螺紋牙兩側(cè)的摩擦力不同，進(jìn)而擠壓過程中滾絲輪的單個(gè)螺紋牙中的工件材料出現(xiàn)了不同高度，最終造成了螺栓牙頂折疊的現(xiàn)象。

4.3 滾壓螺紋的不同位置均出現(xiàn)了硬化的現(xiàn)象，隨著距離牙頂、牙側(cè)、牙根和牙底越遠(yuǎn)，顯微硬度大致呈現(xiàn)降低的趨勢。螺紋各個(gè)位置顯微硬化程度大小依次為：牙底>牙根>牙側(cè)>牙頂。