奧氏體不銹鋼螺紋緊固件摩擦系數影響因素的試驗研究

關鍵詞：奧氏體不銹鋼；螺紋緊固件；摩擦系數；預緊力；裝夾方式

0 引言

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

螺紋連接的質量取決于預緊力的大小。預緊力過大，螺栓緊固至目標扭矩時，所獲得的軸向預緊力將可能超出設計極限，造成螺栓出現明顯的頸縮變形。即使當時未斷，后續失效的風險也大大增加。預緊力過小，螺栓緊固后達不到鎖緊功能，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緊力，使其處于合適的范圍。通過研究螺紋擰緊技術可知，采用扭矩法緊固螺栓，在彈性階段，預緊力跟摩擦系數呈負相關關系。因此，我們可以把對預緊力的控制轉化成對摩擦系數的控制。

摩擦系數是指摩擦力與正壓力之間的比值。當摩擦面的材料及其表面狀態還有相應潤滑條件確定后，摩擦系數就可以認為是一個材料常數。但在螺紋連接中，其還與緊固件表面狀態、制造公差等諸多因素有關[3]。可以說，影響摩擦系數值的因素非常多。因此，國家標準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等基準條件進行限制，以確保有良好的重復性。不過，該國標在適用范圍上對螺紋緊固件的材質進行了限制，但并未涵蓋不銹鋼螺紋緊固件的摩擦系數檢測。

本文的研究對象是以奧氏體不銹鋼材質制成的螺紋緊固件，旨在對其摩擦系數試驗中可能涉及的多種因素進行分析和探討。該研究通過聯系相關標準，求同存異，為科學準確地測定奧氏體不銹鋼螺紋緊固件摩擦系數和解決某些現場裝配問題提供有用的參考依據和方法。

1 摩擦系數試驗

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GB/T 16823.3-2010《緊固件 扭矩- 夾緊力試驗》6.2節中試驗夾具的說明，對樣品檢測摩擦系數時，按內外螺紋分類，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 試驗設備

本文的各組試驗所用設備為螺紋緊固性能分析試驗機（圖2）。試驗機的一頭為驅動端，可以提供最大為300 r/min的可控轉速；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生的總扭矩、支承面扭矩和軸向夾緊力等緊固參數。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、支承面摩擦系數和螺紋摩擦系數。所有相關的檢測數值和最終結果都能以電子記錄方式保存。

2 試驗方案及結果分析

2.1 試驗墊片硬度的不同對摩擦系數的影響

GB/T 16823.3-2010 在7.2 節中提供了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準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試驗時，需根據實際經驗選定一種類型。憑借大量的實際檢測數據，筆者在測試普通碳鋼螺紋緊固件時優先選擇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生形變。若采用HL 型低硬度試驗墊片，那么頭部內凹型螺栓或螺母容易嵌入墊片基體較深，會帶來摩擦系數的顯著升高。

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面效果要顯著大于采用低硬度試驗墊片的。當樣品螺栓或螺母的支承面與HH 型高硬度試驗墊片持續摩擦時，摩擦接觸點會快速硬化，摩擦痕跡對應的有效直徑一直較大，造成支承面摩擦系數的檢測結果很大。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 規定的方式裝夾后，將螺栓直接以10 r/min 的轉速擰緊至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，取每組試驗結果的平均值，試驗結果如表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和頭部摩擦系數降低。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，因為摩擦系數要求的公差也只有0.060。而HL 型與鑄鐵墊片的檢測結果非常接近。綜合來看，與普通碳鋼緊固件的試驗條件不同，優選HL 型試驗墊片，以貼近現場裝配。

2.2 螺紋磕碰對摩擦系數的影響

螺紋緊固件在運輸周轉的過程中，會因外界條件（振動、擠壓等）作用，在螺紋表面出現嚴重程度不一的螺紋磕碰，而且碰傷的程度因缺少相應技術規范而無法定量描述和判定。對于非常嚴重的磕碰，一般認為，會帶來擰緊時的扭矩超差報警。但那種目視螺紋存在磕碰，但可徒手擰過螺紋環規的螺紋磕碰是可以接收的。其對于摩擦系數的影響通過下面試驗進行驗證。

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：一種狀態為正常螺紋；另一種狀態為同批次件，但外觀螺紋磕碰明顯（用螺紋環規可徒手擰過，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 所規定，將螺栓直接以10 r/min 的轉擰緊至30.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統一，保持一致性。按每種狀態分組，每組試驗按10 件測試，取每組試驗結果的平均值，測試結果如表2 所示。

從試驗數據可以看出，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果與正常件的無明顯差異。可以這么說，輕微的螺紋磕碰對于其摩擦系數的影響可以忽略。但若磕碰后的螺紋，擰入時存在大于0.50 N · m 的鎖緊扭矩，則摩擦系數增大的風險將大大提高。

2.3 表面粗糙度對摩擦系數的影響

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

試驗所用螺栓為M10×65，由SUH660 材料制成，表面處理方式為鍍銅（未上減摩穩定劑）。試驗墊片采用實配型，且其表面粗糙度有3 種狀態，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，其余試驗條件統一，保持一致性。按每種狀態分組，每組試驗按10件測試，取每組試驗結果的平均值，試驗結果如表3 所示。

通過3 種不同粗糙度試驗墊片的檢測結果可知，試驗墊片的表面粗糙度對受檢試樣的摩擦系數有一定影響。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間（0.200 ～ 0.800），表面粗糙度對摩擦系數的影響并不明顯，至少從檢測數據上看不出來。這種情況正好與GB/T 16823.3-2010 中7.2 節試驗墊片的要求相對應。因此，試驗墊片表面粗糙度需要嚴格符合GB/T 16823.3-2010 中7.2 節中的要求。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的影響

對于陪試件，國標中推薦了2 種表面狀態：一種是表面未鍍層，要求表面狀態良好并且脫脂處理過；另一種是按ISO 4042標準要求的鍍鋅。另外，因其他相關的車企標準，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行對比研究。

樣件為規格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，即本色、鍍藍白鋅和鍍銅（圖3）。試驗采用扭矩法，裝夾方式為GB/T 16823.3-2010 所規定，將螺母直接以10 r/min 的轉擰緊至50.00 N · m。按照控制單一變量要求，其余試驗條件統一，保持一致性。按每種狀態分組，每組試驗按10 件測試，取每組試驗結果的平均值，試驗結果如表4 所示。

從試驗數據可以看出，試驗過程中無論采用哪種狀態的陪試件，試驗得到的樣件螺紋部分摩擦系數均約為0.14，各自實驗結果中得到的總摩擦系數也近似相等。由此可見，試驗過程中使用標準中要求的任一陪試件對試樣的摩擦系數值幾乎沒有影響。但有相關車企標準規定，陪試件只能采用同狀態表面處理。這是因為摩擦系數是一個相對值，摩擦系數為0.170 ～ 0.230 的試樣在摩擦系數為0.300 的試驗墊片或陪試件上，體現出來的摩擦系數還是0.170 ～ 0.230；但在摩擦系數為0.200 的試驗墊片或陪試件上，則體現出來的摩擦系數只有0.170 ～ 0.200。換言之，2 種不同狀態的表面接觸摩擦，體現的是較低方的值。而試樣和陪試件采用同一表面處理狀態，摩擦系數相同，就不會出現上述提及的失真風險。

2.5 擰緊速度對摩擦系數的影響

對于擰緊速度，國標中有明確的規定：常見規格M3 ～ M16的螺紋件，控制的擰緊速度為10 ～ 40 r/min。但是現場裝配過程中，出于生產節拍的需要，往往會提高裝配速度。轉速過快，意味著表面摩擦程度的加劇，會增大摩擦系數。為確定擰緊速度對摩擦系數的影響，進行如下試驗。

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，其余試驗條件統一，保持一致性。按每種狀態分組，每組試驗按10件測試，取每組試驗結果的平均值，試驗結果如表5 所示。

從試驗數據可以看出，擰緊速度在標準規定的范圍內，試驗的檢測結果保持不變。當擰緊速度提高至100 r/min 及以上，摩擦系數就開始增大。所以，對于不銹鋼螺紋緊固件，在實驗室條件下檢測，需要設定合理的擰緊速度。對于實際的現場裝配，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，摩擦系數會很快升高。這樣對獲得穩定可靠的夾緊力是非常不利。對于不銹鋼螺紋緊固件，因其服役環境的需要，常選用鍍銅的表面處理方式，以防燒結。現從試驗的角度分析其可重復裝配的次數，對于實際應用也有一定的指導意義。

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準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，檢測數據如表6 所示。

從試驗數據可以看出，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，規定摩擦系數為0.090 ～ 0.150 的條件下，軸力不能小于14 kN。對比而言，鑄鐵墊片的檢測結果優于KTL 的，這說明多次擰緊試驗的條件要基于實際情況。若只是嚴扣標準要求，反而結果體現不出實際的意義。可以這么說，在模擬或實際裝配條件下，不銹鋼螺紋緊固件5 次之內的拆裝擰緊對連接副的可靠風險影響不大。

3 試驗結論

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

（1）奧氏體不銹鋼螺紋緊固件的支承面的摩擦系數隨著墊片硬度的減小而顯著降低。檢測摩擦系數時，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帶來改變。當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，支承面的摩擦系數開始變大。

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

（5）擰緊速度在標準規定的范圍內，摩擦系數幾乎沒有的影響；當擰緊速度提高至100 r/min 及以上時，摩擦系數就開始明顯增大。

（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 次之內的拆裝擰緊對連接副的可靠風險影響不大。

4 結束語

根據本文的研究分析可以得出，國家標準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。但是由于材質的不同，選用試驗墊片硬度和粗糙度時應合理，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。擰緊速度應根據實際生產節拍進行合理控制。對于后續需拆卸多次的螺紋副，它們的拆卸和擰緊最多可進行5 次，不會對其可靠性造成太大的風險。