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不锈钢螺纹连接因其不易生锈、耐腐蚀、具有金属光泽而被广泛使用。 与碳钢螺栓相比，不锈钢螺栓在安装和拆卸过程中容易卡死[1-4]。 咬死轻则螺栓难以拆卸，严重则螺栓无法拆卸。 必须采用切割等破坏性手段拆除螺栓。 某整车企业整车生产过程中，不锈钢丝咬死现象时有发生，严重影响正常生产。 因此，有必要研究不锈钢螺纹连接的卡死机理和改进方法。

目前，对不锈钢螺纹连接卡死机理的认识几乎全部来自于对现场情况的观察。 研究人员[5]发现，螺纹连接卡死后，内外螺纹牙均磨损严重，但螺纹连接前后螺纹牙的金相组织没有发生变化。 由此可见，螺纹磨损是不锈钢螺纹连接卡死的主要原因之一。

笔者认为，粘着磨损首先发生在螺杆齿间，随着磨损程度的加深，摩擦热产生的局部高温会使螺杆齿局部熔死，从而产生咬死现象。 另有研究人员认为，不锈钢螺纹表面有一层厚度为5-10μm的氧化膜。 氧化膜在螺纹预紧过程中被破坏，产生较硬的颗粒，导致螺纹间发生粘着磨损。 磨损产生的磨屑堆积在螺纹上，阻塞螺纹进出，最终导致螺纹卡死 [3, 6-7]。

可见，虽然研究者都认为磨损对不锈钢螺纹咬死的发生有重要影响，但对咬死机理的认识并不统一。 一部分观点认为是螺杆齿间局部熔焊导致咬死，另一部分观点认为是磨屑堵塞造成咬死。 针对卡死现象的预防措施，研究人员结合现场实际经验提出了一些参考方法，如螺栓和螺母选用不同材质的不锈钢、预紧前清洗螺栓、润滑螺纹、以及控制旋入速度等[1,4,6]。

以上咬合机理和改进措施均来自于现场情况的观察，这些机理均未经过有效实验验证。 因此，本文通过开展不同条件下的螺栓咬死试验，分析不锈钢螺栓咬死的机理，并提出不锈钢螺栓咬死的预防措施。

01

测试部分

1.1 测试材料

在本研究中，对 06Cr19Ni10 不锈钢螺栓和螺母进行了咬合试验。 螺栓螺母规格为M10，螺距为1.5mm。 螺栓螺母材料的抗拉强度不得低于700MPa，屈服强度不得低于450MPa。 在这项研究中，一些测试螺栓涂有 PMMA 粘合溶液。 PMMA粘合剂是专门为不锈钢螺纹连接开发的防咬合防松胶。 该胶以有机硅化合物为防咬剂，丙烯酸酯为防松剂，并添加金属偶联剂。

1.2 咬合试验

图1所示的装置用于测试。 测试夹具底部有一个正六角盲孔，与M10螺栓头部配合，达到固定螺栓的目的。

图1 松动度测试装置

试验时，用挡块（45#钢）模拟被夹紧件在实际工况下的情况。 预紧力传感器安装在块和螺母之间，可以实时测量预紧和拆卸过程中预紧力的变化。 在传感器和螺母之间增加了一个平垫圈，以减少螺母对传感器的磨损。

试验过程中，不锈钢螺栓反复预紧和拆卸，直至出现卡死现象。 反复预紧和拆卸40次后，如无卡死现象，则试验结束。 所有试验的预紧力矩均设置为30 N·m，预紧力保持时间约为5 s。 咬合试验在3种条件下进行：慢速预压和拆卸、快速预压和拆卸、涂胶后快速预压和拆卸。 慢速预紧拆卸工具为数显手动扭矩扳手（范围：0-100N·m，精度：0.1N·m），快速预紧拆卸工具为英格索兰电动扭矩扳手（型号: W5152). 在一次预紧过程中，两种预紧方式达到预定扭矩所需时间示意图如图2所示。

图2 两种预紧方式达到预定扭矩所需时间示意图

在慢速预装和拆卸的情况下，预装和拆卸速度慢，耗时长； 在快速预装和拆卸的情况下，预装和拆卸所需的时间非常短。 为保证测试结果的可靠性，每个条件下的咬合测试均重复多次。

测试结束时，使用手持式红外测温仪（型号TAITAN T450C，精度：0.1℃）测量螺栓顶部的温度（见图1）。 使用扫描电子显微镜（SEM，JSM-6610LV）观察试验后螺钉齿的损伤形貌。

02

检测结果

2.1 预加载时间和样品温度

螺栓咬死试验结果如表1所示，在缓慢预紧和拆卸的条件下，反复预紧和拆卸40次后，没有一个螺栓被咬死，螺栓顶部的温度在最后测试温度介于 25 和 26 °C 之间。 在快速预紧和拆卸的条件下，所有螺栓都被咬死，发生咬死所需的预紧次数为16-20次，试验结束时螺栓顶部温度高达90 至 106 °C。 在涂胶后快速预紧拆卸的条件下，反复预紧拆卸40次后，没有一个螺栓卡死，试验结束时螺栓顶部温度在30~34℃之间。

2.2 预加载

在这项研究中，重复了不同条件下的咬合测试。 在不同条件下，典型的预紧力与试验时间的曲线如图3所示。

图3 不同试验条件下预紧力随试验时间的变化曲线

螺栓预紧力与预紧力矩、螺纹尺寸形状、螺纹表面粗糙度和清洁度等诸多因素有关。 每次预紧和拆卸都会造成螺纹表面的磨损，导致内外螺纹之间的摩擦系数发生变化。 因此，每个测试条件的预紧力随预紧力和拆卸次数而变化。

从图3可以看出，在慢速预紧拆卸和快速预紧拆卸条件下，螺栓的平均预紧力约为10.5 kN； ，螺栓的平均预紧力约为 13 kN。 可以看出，预紧和拆卸速度对螺栓预紧力没有影响，但涂胶显着提高了螺栓预紧力。 这是因为涂胶后螺纹间的摩擦系数减小，在相同的预紧力矩下，螺栓产生的预紧力增大。

2.3 被检标本损伤分析

2.3.1 螺牙损伤形貌观察

为查明不锈钢螺栓咬死的原因，采用线切割机沿螺栓轴向切割被咬死的样品，见图4a)，经过处理后的螺丝牙的损伤形貌观察到癫痫发作。 激光共聚焦显微镜下内外螺纹连接的外观如图4b)所示。 可以看出，内外螺纹均磨损严重，部分螺纹在高度方向磨损了70%左右，磨屑堆积在配合螺纹之间形成一个整体。

图 4 螺丝牙咬合后损伤形貌观察（5#样品）

图5 被检样品内外螺纹牙表面形貌观察

剖切试样的螺栓部分和螺母部分分离，典型的螺栓螺母损伤形貌如图5所示，可以看出螺栓螺母磨损严重，螺纹牙被撕裂.在螺纹上打磨灰尘

螺纹之间的堆积对拧入和拧出产生阻塞作用，使螺栓完全死机。

2.3.2 查杀过程分析

不锈钢螺栓在卡死过程中磨损严重。 为了分析不锈钢螺栓的卡死过程，本研究通过断续试验观察不同预紧力和拆卸次数下螺纹齿的磨损特性。 中断试验是在快速预加载和拆卸的条件下进行的。 试验时，预紧力矩设定为30 N·m，重复预紧和拆卸次数分别为1、7和15次。 停止测试的螺栓没有一个被抓住。

试验后，从螺纹底部沿垂直于轴线的方向用钢丝切割螺栓。 螺纹配合的第一个螺纹承受螺栓载荷的30%以上[8-9]，因此该螺纹的损坏最为严重。 在这项研究中，扫描电子显微镜被用来分析螺栓第一螺纹的磨损形态。

图 6 显示了螺纹在不同预加载和拆卸时间后的损伤形态。 经过一次预紧和拆卸后，螺纹表面出现沟槽，表明螺纹表面发生磨粒磨损，如图6a)所示。 7次预紧拆卸后，螺纹表面发生粘着磨损，螺纹顶部因粘着磨损发生撕裂、剥落，如图6b)所示。 经过15次预紧和拆卸后，粘着磨损加剧，螺纹顶端被撕裂剥落的材料体积增大，如图6c)所示。

图6 不同预紧和拆卸次数后螺纹的损伤形貌

可以看出，随着预加载荷和拆卸次数的增加，螺纹表面的磨损机理由磨粒磨损转变为粘着磨损，粘着磨损造成的破坏程度逐渐增大。 随着螺牙表面磨损的加剧，因剥落撕裂产生的磨屑逐渐堆积在螺牙之间，阻碍了螺牙的拧紧过程，最终造成咬死现象。

2.4 悬空样品损伤观察

在涂胶后慢速预紧拆装和快速预紧拆装两种测试工况下，40次预紧拆装后所有螺栓均未出现卡死现象。 在这两种试验条件下，试验后螺纹齿的损伤形貌如图7所示。与快速预紧和拆卸条件（见图6）相比，在这两种试验条件下，螺纹的损伤程度面大大缩小。 这说明涂胶和降低预紧及拆卸速度可以减少螺纹牙间的粘着磨损，从而降低不锈钢螺纹连接卡死的概率。

图7 试验后螺杆齿的损伤形貌

03

讨论

由以上分析可知，螺纹表面的粘着磨损是影响不锈钢螺纹连接抗咬合能力的主要因素。 根据粘着磨损理论，材料的磨损量表达式为[10]

其中： V 为磨损量； ks 为粘着磨损常数； W为法向压力； s为滑动距离； σs 是材料的压缩屈服极限。 可以看出，磨损体积随着材料的压缩屈服极限的降低而增加。 螺纹表面材料的压缩屈服极限随着螺纹间温度的升高而降低。 在反复预紧和拆卸过程中，内外螺纹表面相对滑动产生的摩擦热导致螺栓温度升高。 虽然本研究中的温度测量点位于螺栓顶部（见图1），但这些温度数据（见表1）可以定性地反映螺纹表面的温度。

在缓慢预压和拆卸的条件下，预压和拆卸所需的时间较长，试验过程中摩擦热已基本散去，试样温升不明显。 在此试验条件下，螺纹表面材料的强度折减较小，故螺纹表面损伤程度较轻（图7a））。 在快速预压和拆卸的条件下，预压和拆卸所需的时间很短，摩擦热来不及散发，因此样品的温升显着（表1）。 在这种高温条件下，螺纹表面的材料强度会明显下降，因此螺纹表面会发生严重的粘着磨损（图6）。

此外，不锈钢材料在高温条件下脆性降低，塑性增加螺纹转接头，会增加粘着节点的损伤深度[11]螺纹转接头，从而进一步加剧粘着磨损。 从图3可以看出，在涂胶后快速预紧和拆卸的条件下，螺栓预紧力增加。 据此，可以推测涂胶降低了内外螺纹表面之间的摩擦系数[12]。

螺纹间的摩擦热随着摩擦系数的降低而降低，因此涂胶后样品的温升不明显（表1），螺纹表面的损伤程度降低（图7b））。 此外，胶合在螺纹表面引入了第三层介质，进一步减少了材料磨损。 从以上分析可以看出，降低预紧力和拆卸速度可以降低螺纹牙间的温度，从而减少粘着磨损，降低不锈钢螺纹连接卡死的概率； 涂胶可以通过降低螺牙的摩擦系数来降低螺纹表面的摩擦系数。 温度，以防止不锈钢螺纹连接磨损。

04

综上所述

1）快速预紧和拆卸引起的螺纹间高温导致不锈钢螺纹表面粘着磨损严重。 粘着磨损产生的磨屑堆积在螺杆齿间，阻碍螺杆齿的旋入过程，最终造成咬死现象。

2）降低预紧力和拆卸速度可以降低螺纹间的温度，从而减少粘着磨损，降低不锈钢螺纹连接卡死的概率。

3）涂胶可以通过降低螺纹表面的摩擦系数来降低螺纹之间的温度，从而防止不锈钢螺纹连接卡死。