不銹鋼螺紋連接中特殊螺紋鎖固劑的應用研究

魏培欣

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

不銹鋼螺紋連接中特殊螺紋鎖固劑的應用研究

魏培欣

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

對不銹鋼螺紋連接的咬死機理進行了試驗研究，找出了咬死發生的根本原因及過程。根據試驗結果并對研制的特殊性能螺紋鎖固劑做了抗咬死及防松試驗，通過涂膠前后不銹鋼螺紋連接咬死對比試驗、螺紋連接防松性能對比試驗及螺牙磨損形貌對比分析，論證了特殊螺紋鎖固劑在不銹鋼螺紋連接中的抗咬死及防松性能能夠滿足實際需求。

螺紋鎖固；不銹鋼；螺紋連接；螺紋咬死

作為螺紋連接的一種，不銹鋼螺紋連接因具有不容易生銹、耐腐蝕且有金屬光澤等優點，應用非常普遍。與常規碳鋼螺栓相比，不銹鋼螺栓在安裝和拆卸的過程中容易發生咬死現象。咬死現象一旦發生，會造成螺栓拆卸困難，甚至根本無法拆卸，需要采用切割等破壞手段將螺栓取出。

現在地鐵車輛使用的不銹鋼螺紋連接地方比較多，如車體連接、內飾、司機室以及車下設備等，不銹鋼螺栓的大量應用必然會導致其可能發生咬死的幾率增大。為此，防止不銹鋼螺紋發生咬死具有重要意義。一般解決防咬死的辦法是采用在螺紋連接中加入潤滑劑二硫化鉬，在使用二硫化鉬的同時也增加了螺紋連接松動的風險。所以要同時解決不銹鋼螺紋連接中的抗咬死及防松，就必須要研制一種螺紋鎖固劑。

1 不銹鋼螺紋連接咬死機理

不銹鋼螺栓在裝配和拆卸過程中經常會出現咬死現象[1]。將咬死的接頭螺紋連接部分剖切后觀察螺牙的表面形貌可以看到，內外螺紋的螺牙上都有嚴重的磨損現象（如圖1所示），而咬死前、后螺牙的金相組織沒有異常[2]。這說明，螺牙磨損是不銹鋼螺紋連接發生咬死的原因之一，經過預緊固7次后觀察螺紋形貌發現，表面有撕裂現象。錢學寧等[4]使用扭矩扳手對不銹鋼螺紋連接部位涂覆潤滑劑前、后的咬死行為進行了反復預緊試驗。結果表明，涂覆潤滑劑可以有效改善不銹鋼螺紋連接發生咬死的概率。對不銹鋼螺栓咬死機理，相關研究人員[3～5]認為：不銹鋼螺紋螺牙表面存在一層非常薄的氧化膜，厚度約為5～10 μm，氧化膜在螺紋預緊過程中發生破壞并產生較硬的顆粒存在于螺牙表面，導致螺牙間的黏附磨損，磨損產生的磨屑在螺牙上堆積，阻塞了螺牙的旋入、旋出過程，最終發生螺紋咬死。而文獻[2]則認為，螺牙間先發生粘附磨損，隨著磨損程度的加深，摩擦熱產生的局部高溫將螺牙局部焊死，最終發生咬死現象。

通過在螺牙處涂覆潤滑劑可以減緩甚至消除不銹鋼螺栓咬死現象。但是，潤滑劑也使螺栓與螺母之間的摩擦系數大幅降低，螺栓容易發生松動。為了同時解決不銹鋼螺栓咬死及松動問題，需要專門研制一種含抗咬死劑和抗松動劑的螺紋鎖固劑。

2 不銹鋼螺紋連接防咬死及防松螺紋鎖固劑的研制

2.1 抗咬合劑的選取

螺紋鎖固劑以有機硅化物為抗咬死劑。有機硅化物在材料應用中可以形成彈性膜，粘接性、耐候性較好，無污染，作為有機物可以較好地與膠粘劑融合。涂膠干燥后，在連接處形成有機聚合硅化物膜，起隔離作用，防止螺紋金屬表面的相互侵入，以達到抗咬死目的。

2.2 防松動劑選取

利用制備的特殊粘接劑溶液，將螺栓和螺母粘接在一起，達到防松的目的，拆卸時只要施加足夠的力矩即可。本膠水采用甲基丙烯酯類和丙烯酸酯類為原料，分別加入過氧化劑引發劑，加熱聚合，得到聚合物。以該聚合物作為防松動劑，易合成，無污染。經過稀釋后涂在螺栓的表面，連接緊固后，自然干燥或加熱干燥，在金屬表面形成粘接膜，減少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，增強了粘接力，達到防松動的目的。

將烯酸酯類（如，甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯等）按照一定的比列（質量比）加入到反應釜中，加入過氧化物引發劑BPO（過氧化二苯甲酰），開動攪拌器使之溶解并攪拌均勻，然后加熱至60～65℃，反應7 h左右，使反應釜內產物黏度增加，類似甘油狀，繼續加熱反應，老化12 h，降至室溫，得到白色透明烯酸酯的共聚物。隨即加入丙酮，用玻璃棒攪拌，約3～5 h后，得到20%濃度的PMM溶液。該聚合物作為防松動劑，易合成，無污染。

取上述制備的PMM溶液，加入硅脂攪拌均勻，再加入硅烷偶聯劑（KH550），得到抗咬死防松動膠水。涂在螺栓的表面、連接緊固后，自然干燥或加熱干燥，在金屬表面形成粘接膜，減少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，達到防松動的目的。

2.3 涂膠前后不銹鋼螺紋連接咬死對比試驗

為了驗證研制出的螺紋鎖固劑對不銹鋼螺紋連接的抗咬死性能，對涂膠后的不銹鋼螺栓螺母進行多次預緊防咬死試驗，與不涂膠時的試驗結果進行對比。主要對比2種情況下發生咬死所需的預緊次數以及預緊過程中螺牙表面的磨損情況，以查看其抗咬死性能。

用螺栓規格為M10×60，全螺紋，螺母為M10，螺距為1.5 mm，為標準螺距。螺栓與螺母材質相同，同為304不銹鋼，國標牌號為06Cr19Ni10，材料等級為A2-70，預緊扭矩30 N·m。

涂膠前分別對5組不銹鋼螺栓螺母進行試驗。在多次預緊后，都發生了咬死現象（如圖1所示）。

涂膠后對另5組螺栓進行反復預緊40次，都沒有出現咬死現象（如圖2所示），說明研制的膠水具有對不銹鋼螺栓防咬死的效果，這也證明了抗咬死劑選取的合理性。對完成40次預緊、拆卸的試樣，用手對螺母進行旋合時感覺比較平滑，說明螺牙上的磨損、堆積和阻塞等情況非常輕微，有利于不銹鋼螺紋連接的防咬死。

試驗過程中對咬死后的瞬間試樣螺栓頂部的表層溫度進行了紅外（FT-IR）測量，測量結果如圖3所示。與不涂膠時的結果相比，相同試驗條件下，涂膠后的試樣溫度明顯下降。涂膠后，試樣螺栓頂部溫度有一定升高，但是幅值不大。這說明，涂膠后，螺牙間的摩擦磨損作用減小，產生的摩擦熱較少，螺牙溫度較低，不容易發生咬死現象。

圖1 螺栓咬死試驗過程Fig.1 Thread seizing test process

圖2 螺栓咬死試驗過程Fig.2 Thread seizing test process

圖3 螺紋咬死與溫度試驗Fig.3 Experiments of thread seizing-temperature

2.4 涂膠后螺牙磨損形貌觀察

對涂膠后預緊40次未發生咬死的試樣進行切割、清理和顯微鏡觀察。將螺栓從螺牙底部沿著垂直于軸線方向進行線切割，以觀察螺牙表面的磨損形貌。選取第1個螺紋配合的螺牙（距離傳感器一端）為觀察對象（如圖4所示），螺牙表面基本上無磨損。

圖4 涂膠后螺牙磨損形貌Fig.4 Wear morphology of thread after coating

2.5 涂膠前后不銹鋼螺紋連接部位防松性能的對比試驗

螺紋鎖固劑里含有的抗咬死劑實質是一種潤滑劑，目的是減小內外螺紋螺牙間的摩擦系數；此外還添加了防松動劑，目的是提高螺牙間的粘接能力。為了驗證該螺紋鎖固劑對不銹鋼螺紋連接防松性能的影響，對涂膠前后不銹鋼螺栓在橫向振動載荷作用下，其預緊力的變化進行了試驗研究。

試驗過程中可實時采集預緊力的大小及變化，通過預緊力的下降程度可以判斷螺栓防松效果的優劣。因此，設定涂膠前后預緊力的大小相同，且試驗過程中施加的振動載荷（載荷波形、幅值、頻率和次數）是一致的。

考慮到地鐵車輛上使用的不銹鋼螺栓所夾持的部位多為鋁合金材料，其強度、硬度較低，因此，螺栓的擰緊力矩要較小。設置預緊力是基于擰緊力矩分別為30 N·m和25 N·m時對應的預緊力大小。分別取2組試樣，每組5對螺栓螺母。對第1組試樣分別進行預緊，預緊力矩為30 N·m，測量每個試樣上的預緊力大小，對5個預緊力的結果取平均值，選取最終的試驗預緊力為10.5 kN。同樣的方式對第2組試樣進行預緊，預緊力矩為25 Nm，計算預緊力的平均值，選取最終的試驗預緊力為8.5 kN。試驗過程中施加恒幅、恒頻的正弦波位移振動載荷。車輛結構上第1階振動頻率一般為3～6 Hz左右，為了盡量與實際工況接近，試驗設置載荷頻率為5 Hz，位移幅值為0.3 mm，循環次數為10 000次。

對涂膠前后預緊力的下降進行對比，如圖5所示的是預緊力下降的百分比柱狀圖。

圖5 預緊力下降對比Fig.5 Comparison of pretightening force reduction

由圖5可知：在橫向振動的試驗條件下，螺紋鎖固劑能夠有效減緩預緊力的下降，起到了螺栓防松效果，能夠滿足實際的需求。

2.6 涂膠前后不銹鋼螺紋連接形貌對比

為了分析涂膠前后預緊力下降的原因，試驗完成后，將螺栓的第1個配合螺牙（距傳感器一端）從試樣上切下，在顯微鏡下觀察磨損形貌。圖6（a）和圖6（b）分別顯示的是預緊力為10.5 kN時，不涂膠和涂膠后螺栓螺牙的表面形貌觀察；圖6（c）和圖6（d）分別顯示的是預緊力為8.5 kN時，不涂膠和涂膠后螺栓螺牙表面形貌的掃描電鏡觀察圖。

圖6 不涂膠、涂膠時螺牙的表面形貌[FN=10.5 kN，N=10 000次循環（a、b）]；不涂膠、涂膠時螺牙的表面形貌[FN=8.5 kN，N=10 000次循環（c、d）]Fig.6 Comparison of thred surface morphology photos for with and without coating at FN=10.5kN（a、b）and FN=8.5kN（c、d）

對比涂膠前后螺牙表面的磨損形貌可以看出，相同預緊力水平下，涂膠后螺牙磨損程度較低，與預緊力下降的試驗結果是一致的。結果表明，不銹鋼螺栓防咬死及防松螺紋鎖固劑固化后減緩了螺牙間的磨損，有利于提高不銹鋼螺紋連接的防松效果。

3 結論

為了進行不銹鋼螺紋連接部位發生咬死的試驗研究、探明其發生機理，研制出了一種既可以防止不銹鋼螺紋連接后發生咬死，又具有一定防松效果的特殊螺紋鎖固劑。對使用該螺紋鎖固劑后的不銹鋼螺母、螺栓進行了防咬死及防松試驗，結果表明，該螺紋鎖固劑能夠達到預期的目的。

[1]張雅琴.不銹鋼螺栓鎖死問題分析[J].科技與創新,2016,15(4):120-121.

[2]萬蕾,孫璐,楊耀東.接頭螺紋咬死失效原因分析[J].宇航材料工藝,2015,45(1):79-81.

[3]李文頂,孔鳴杰,江文達.不銹鋼螺紋聯接副損傷及咬死現象分析與解決措施[J].機電工程技術,2013,42(1):97-98.

[4]錢學寧,鄢家洪,高大偉,等.不銹鋼緊固件咬死現象的工藝分析及改善措施[J].機械工程師,2015,47 (7):175-176.

[5]肖秀珍,梁士紅.關于不銹鋼螺栓鎖死問題的探討[J].機電產品開發與創新,2010,23(3):65-68.

Study on application of special thread locking agent in stainless steel thread connection

WEI Pei-xin
(CRRC Nanjing Puzhen Rolling Stock Co., Ltd., Nanjing, Jiangsu 210031, China)

In this paper, the mechanism of thread seizing in the threaded connection of stainless steel was experimentally studied. The primary cause and process of the occurrence of thread seizing were found. The thread locking agent with special performance was developed and the anti-seizing and anti-loosing tests were conducted for the thread locking agent, Through the comparative tests on locking performance and anti-loosing ability of stainless steel thread connection, and the wear morphology of thread before and after coating, it is proved that the anti-seizing and anti-loosing performance of the special thread locking agent can meet the actual requirements in the stainless steel thread connectionn.

thread locking; stainless steel; threaded connection; thread seizing

TQ437+.4

A

1001-5922（2017）09-0067-04

2017-03-12

魏培欣（1973-），男，高級工程師，從事車輛技術工藝工作并負責公司膠粘劑的工藝。E-mail：pxwei73@126.com。