不銹鋼螺紋副咬死機理分析與預防解決措施

唐紹鋒，萬舒晨，齊 歆，朱紅民

（中國運載火箭技術研究院，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度，所以不銹鋼螺紋連接在航天工業領域的應用越來越普遍，然而最近幾年已經發生了多起不銹鋼螺紋副咬死問題。由于航天產品的特殊性，如果不銹鋼螺紋副咬死問題不能被妥善、有效地解決，就會造成重大的經濟損失和飛行試驗任務進度的推遲，特別是如果發生咬死問題的不銹鋼螺紋副涉及到火工產品，還可能造成重大的安全問題。

本文通過一個在航天飛行器產品總裝過程中發生的不銹鋼螺紋副咬死問題，根據磨損理論對不銹鋼螺紋副咬死機理進行了分析，最后給出了預防和解決咬死問題的措施。

1 問題描述

某型號產品在總裝廠進行部段對接時，對接面使用4 個爆炸螺栓將前艙與后艙連接起來。當總裝工人將4 個螺栓旋入對應螺母后分輪次逐個施加擰緊力矩時，其中1 個螺栓配套的彈墊無法壓平。設計人員現場要求將4 個爆炸螺栓都從產品上分解，確認情況后重新安裝。在分解螺栓時，僅有2 個爆炸螺栓能夠勉強分解下來，另外2 個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 后仍無法分解。因為爆炸螺栓為火工產品，考慮到安全因素對未能分解的2 個螺栓實施了安全引爆。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 扣出現了螺紋咬死現象。

圖1 螺紋損傷及螺紋副咬死情況

2 機理分析

磨損理論[1]將相互接觸的物體在相對運動中，表層材料不斷損失、轉移或產生殘余變形的現象稱為磨損，它是伴隨著摩擦而產生的必然結果。磨損現象按照機理分類可分為粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損以及沖擊磨損。

粘著磨損定義為當摩擦副相對滑動時，由于粘著效應所形成的結點發生剪切斷裂，接觸表面的材料從一個表面轉移到另一個表面的現象。咬死是粘著磨損中一種最為嚴重的情況。

粘著磨損的機理為：①在一定的法向載荷作用下，微凸體接觸，發生塑性變形，產生粘著；②在相對滑動過程中，剪切粘著點，材料就會從一個表面轉移到另外一個表面，形成磨損；③一部分轉移的材料分離，從而形成游離磨粒；④再形成新的粘著點。接觸—塑性變形—粘著—材料轉移—再粘著，循環不斷地進行，構成粘著磨損的全過程（圖2）。當粘著點面積較大、螺紋副材料的剪切強度小于粘著結合力時，就容易產生咬死現象。

圖2 單個微凸體粘著磨損模型

決定粘著磨損的產生及嚴重程度的因素有以下9 個。

（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，表面接觸應力大于材料硬度的1/3 時，很多金屬將由輕微磨損轉變為嚴重的粘著磨損，而且摩擦副材料間的硬度相差越大越不容易產生咬死現象。

（3）材料的塑性。材料的塑性越大，越容易產生粘著現象。

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

（5）載荷。粘著磨損一般會隨著法向載荷增加到某一臨界值后而急劇增加。

（6）速度。隨著滑動速度的變化，磨損類型會由一種形式轉變為另一種形式：當摩擦速度很低時主要是氧化磨損，磨損量很小；隨著速度的增大，氧化膜破裂，金屬間直接接觸，轉化為粘著磨損，磨損量顯著增大；滑動速度再高，摩擦溫度上升，有利于氧化膜形成，又轉化為氧化磨損，磨損量又減小；如果速度再增大，將再次轉化為粘著磨損，磨損量又開始增加。

（7）溫度。表面溫度升高可使潤滑膜失效、材料硬度下降，摩擦表面容易產生粘著磨損。

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

（9）摩擦副表面質量。表面質量越好，磨損量越小。

下面根據磨損理論對前述螺紋副咬死機理進行分析。

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。

對爆炸螺栓及螺母分別進行洛氏硬度測試，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行觀察，損傷區域存在明顯的物質轉移堆積現象，部分損傷區域可見明顯的剪切韌窩形貌（圖3、圖4）。能譜分析損傷區域得到了螺栓與螺母材料的基體成分，表明螺紋副在運動的過程中發生了相互的物質轉移。形貌及成分分析結果表明螺紋副在安裝的過程中發生粘著磨損、局部區域形成了冷焊，并在強拆過程中冷焊區域發生剪切破壞。

圖3 損傷區域磨損及物質轉移形貌

圖4 損傷區域局部剪切韌窩形貌

綜合分析認為：爆炸螺栓與螺母為細牙連接；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；總裝工人在現場施工時并未按設計要求在爆炸螺栓螺紋上涂潤滑脂；而且工藝也沒有約束施加擰緊力矩的量化措施（可能因為轉速過快而造成螺紋副表面溫度升高）。在上述原因的共同影響下，發生了爆炸螺栓與配套螺母螺紋副咬死的問題。

3 預防與解決措施

3.1 預防措施

對應決定粘著磨損的產生及嚴重程度的影響因素，預防螺紋副咬死的措施有[4]：

（1）設計時優化材料選型，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，在高溫使用環境下螺紋副材料的熱膨脹系數應該一致或接近。

（2）增大配合螺紋的牙尖和牙底間隙。

（3）提高產品生產質量，對螺紋精度、表面質量進行嚴格檢查。

（4）控制擰緊力矩，擰緊力矩不宜過大。

（5）采用合適的潤滑劑或抗咬合劑。

（6）控制擰緊工藝，規定旋入、旋出的速度，避免速度過快。

（7）安裝時保證相互配合零件的對中，防止偏心安裝。

（8）嚴格控制多余物，對螺紋表面進行清潔。

3.2 解決措施

一旦發生螺紋咬死問題，一般有以下解決措施。

（1）外部潤滑、加大力矩、振動。一般情況下，加大拆卸力矩是在遇到咬死問題時最先考慮的方法。在拆除工作開始前從螺紋外部向螺紋副注入潤滑劑，使用扳手進行拆卸，拆卸過程中根據實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，使螺栓與螺母間的咬合松動。這種方法的風險很大，如果無休止地加大力矩，最終可能會使螺栓斷裂或螺栓雖然拆出來了但螺栓及螺母的螺紋被損壞。

（2）采用平衡器、風動扳手與螺栓拆取器[5]。螺栓拆取器以螺栓軸線為基準，通過夾具固定在螺栓外表面，因而產生的扭矩一定是以螺栓軸線為中心，既解決了偏載問題，又可以把扭矩最大限度地傳送到螺栓。通過風動扳手的振動，振動氧化層及咬合面，從而達到松動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程中減少了螺紋副之間的摩擦力，并使得螺栓在沿軸線運動的過程中能夠自動保持其運動方向，降低了因螺栓沿軸向偏擺帶來的額外風險。該方法比方法（1）有效，但是使用的工裝制造成本高、經濟性差。

（3）液氮深冷[6]。對螺栓進行局部液氮速冷，在液氮深冷條件下（-196 ℃），螺栓直徑會微量縮小，螺母內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，強度提高，這便于螺栓拆卸。該方法已成功應用于解決某型航天運載器不銹鋼螺釘咬死問題，但要特別考慮操作安全性問題。

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

隨著科技的進步，會有越來越多的新技術和新工藝應用到實際工作中，這些技術和工藝各有利弊[5]。

4 結束語

從經濟性、安全性等諸方面考量，不銹鋼螺紋副咬死問題的事前預防要比事后解決重要得多。預防不銹鋼螺紋副咬死涉及產品的設計（材料選型、螺紋間隙等）、生產（加工精度、表面質量等）、檢驗（剔除不合格品等）、操作（涂潤滑劑/抗咬合劑、施加擰緊力矩的方式方法等）等多個環節，任何一個環節處理不當，都可能導致不銹鋼螺紋副咬死問題。所以預防不銹鋼螺紋副咬死問題需要設計人員、生產人員、檢驗人員、工藝人員和裝配人員共同努力。