徐家強(qiáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南信陽 464300

1 序言

某不銹鋼螺紋組件在現(xiàn)場裝配時(shí)組件的螺母與螺栓咬死，無法擰動(dòng)。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(dòng)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(qiáng)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(jī)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?cái)嗪蟛捎镁€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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jìn)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?yàn)橥N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(qiáng)，在正應(yīng)力的作用下接觸面原子易發(fā)生相互擴(kuò)散，有更強(qiáng)的黏著傾向。由于分子力的作用使兩個(gè)表面發(fā)生焊合，如果外力能克服焊合點(diǎn)的結(jié)合力，相對滑動(dòng)的表面可繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，若剪切力發(fā)生在原來的接觸表面上，就不會(huì)發(fā)生磨損；若剪切力發(fā)生在強(qiáng)度較低的金屬一側(cè)，則強(qiáng)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(qiáng)，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(shí)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(shí)，采用棘輪扳手進(jìn)行扳擰。由失效件的螺栓變形（見圖3）可知，裝配時(shí)組件受極大的安裝力矩導(dǎo)致螺栓變形，說明裝配時(shí)螺紋間存在極大的接觸壓力。在摩擦速度一定時(shí)，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(shí)，黏著磨損量急劇增加，嚴(yán)重時(shí)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(dòng)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(shí)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(gè)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(cuò)能力時(shí)，就會(huì)造成螺紋嚴(yán)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(shí)螺紋咬死故障進(jìn)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(shí)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(shí)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(yán)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(xiǎn)，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(jìn)行嚴(yán)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(jìn)行擰入，避免懸空裝配。

5）安裝時(shí)保證相互配合的零件對中，避免偏心安裝。