不锈钢螺纹连接中特殊螺纹锁固剂的应用研究

魏培欣

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）

不锈钢螺纹连接中特殊螺纹锁固剂的应用研究

魏培欣

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031）

对不锈钢螺纹连接的咬死机理进行了试验研究，找出了咬死发生的根本原因及过程。根据试验结果并对研制的特殊性能螺纹锁固剂做了抗咬死及防松试验，通过涂胶前后不锈钢螺纹连接咬死对比试验、螺纹连接防松性能对比试验及螺牙磨损形貌对比分析，论证了特殊螺纹锁固剂在不锈钢螺纹连接中的抗咬死及防松性能能够满足实际需求。

螺纹锁固；不锈钢；螺纹连接；螺纹咬死

作为螺纹连接的一种，不锈钢螺纹连接因具有不容易生锈、耐腐蚀且有金属光泽等优点，应用非常普遍。与常规碳钢螺栓相比，不锈钢螺栓在安装和拆卸的过程中容易发生咬死现象。咬死现象一旦发生，会造成螺栓拆卸困难，甚至根本无法拆卸，需要采用切割等破坏手段将螺栓取出。

现在地铁车辆使用的不锈钢螺纹连接地方比较多，如车体连接、内饰、司机室以及车下设备等，不锈钢螺栓的大量应用必然会导致其可能发生咬死的几率增大。为此，防止不锈钢螺纹发生咬死具有重要意义。一般解决防咬死的办法是采用在螺纹连接中加入润滑剂二硫化钼，在使用二硫化钼的同时也增加了螺纹连接松动的风险。所以要同时解决不锈钢螺纹连接中的抗咬死及防松，就必须要研制一种螺纹锁固剂。

1 不锈钢螺纹连接咬死机理

不锈钢螺栓在装配和拆卸过程中经常会出现咬死现象[1]。将咬死的接头螺纹连接部分剖切后观察螺牙的表面形貌可以看到，内外螺纹的螺牙上都有严重的磨损现象（如图1所示），而咬死前、后螺牙的金相组织没有异常[2]。这说明，螺牙磨损是不锈钢螺纹连接发生咬死的原因之一，经过预紧固7次后观察螺纹形貌发现，表面有撕裂现象。钱学宁等[4]使用扭矩扳手对不锈钢螺纹连接部位涂覆润滑剂前、后的咬死行为进行了反复预紧试验。结果表明，涂覆润滑剂可以有效改善不锈钢螺纹连接发生咬死的概率。对不锈钢螺栓咬死机理，相关研究人员[3～5]认为：不锈钢螺纹螺牙表面存在一层非常薄的氧化膜，厚度约为5～10 μm，氧化膜在螺纹预紧过程中发生破坏并产生较硬的颗粒存在于螺牙表面，导致螺牙间的黏附磨损，磨损产生的磨屑在螺牙上堆积，阻塞了螺牙的旋入、旋出过程，最终发生螺纹咬死。而文献[2]则认为，螺牙间先发生粘附磨损，随着磨损程度的加深，摩擦热产生的局部高温将螺牙局部焊死，最终发生咬死现象。

通过在螺牙处涂覆润滑剂可以减缓甚至消除不锈钢螺栓咬死现象。但是，润滑剂也使螺栓与螺母之间的摩擦系数大幅降低，螺栓容易发生松动。为了同时解决不锈钢螺栓咬死及松动问题，需要专门研制一种含抗咬死剂和抗松动剂的螺纹锁固剂。

2 不锈钢螺纹连接防咬死及防松螺纹锁固剂的研制

2.1 抗咬合剂的选取

螺纹锁固剂以有机硅化物为抗咬死剂。有机硅化物在材料应用中可以形成弹性膜，粘接性、耐候性较好，无污染，作为有机物可以较好地与胶粘剂融合。涂胶干燥后，在连接处形成有机聚合硅化物膜，起隔离作用，防止螺纹金属表面的相互侵入，以达到抗咬死目的。

2.2 防松动剂选取

利用制备的特殊粘接剂溶液，将螺栓和螺母粘接在一起，达到防松的目的，拆卸时只要施加足够的力矩即可。本胶水采用甲基丙烯酯类和丙烯酸酯类为原料，分别加入过氧化剂引发剂，加热聚合，得到聚合物。以该聚合物作为防松动剂，易合成，无污染。经过稀释后涂在螺栓的表面，连接紧固后，自然干燥或加热干燥，在金属表面形成粘接膜，减少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，增强了粘接力，达到防松动的目的。

将烯酸酯类（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（质量比）加入到反应釜中，加入过氧化物引发剂BPO（过氧化二苯甲酰），开动搅拌器使之溶解并搅拌均匀，然后加热至60～65℃，反应7 h左右，使反应釜内产物黏度增加，类似甘油状，继续加热反应，老化12 h，降至室温，得到白色透明烯酸酯的共聚物。随即加入丙酮，用玻璃棒搅拌，约3～5 h后，得到20%浓度的PMM溶液。该聚合物作为防松动剂，易合成，无污染。

取上述制备的PMM溶液，加入硅脂搅拌均匀，再加入硅烷偶联剂（KH550），得到抗咬死防松动胶水。涂在螺栓的表面、连接紧固后，自然干燥或加热干燥，在金属表面形成粘接膜，减少了空隙，增加了密封性。在粘接力和密封作用下，达到防松动的目的。

2.3 涂胶前后不锈钢螺纹连接咬死对比试验

为了验证研制出的螺纹锁固剂对不锈钢螺纹连接的抗咬死性能，对涂胶后的不锈钢螺栓螺母进行多次预紧防咬死试验，与不涂胶时的试验结果进行对比。主要对比2种情况下发生咬死所需的预紧次数以及预紧过程中螺牙表面的磨损情况，以查看其抗咬死性能。

用螺栓规格为M10×60，全螺纹，螺母为M10，螺距为1.5 mm，为标准螺距。螺栓与螺母材质相同，同为304不锈钢，国标牌号为06Cr19Ni10，材料等级为A2-70，预紧扭矩30 N·m。

涂胶前分别对5组不锈钢螺栓螺母进行试验。在多次预紧后，都发生了咬死现象（如图1所示）。

涂胶后对另5组螺栓进行反复预紧40次，都没有出现咬死现象（如图2所示），说明研制的胶水具有对不锈钢螺栓防咬死的效果，这也证明了抗咬死剂选取的合理性。对完成40次预紧、拆卸的试样，用手对螺母进行旋合时感觉比较平滑，说明螺牙上的磨损、堆积和阻塞等情况非常轻微，有利于不锈钢螺纹连接的防咬死。

试验过程中对咬死后的瞬间试样螺栓顶部的表层温度进行了红外（FT-IR）测量，测量结果如图3所示。与不涂胶时的结果相比，相同试验条件下，涂胶后的试样温度明显下降。涂胶后，试样螺栓顶部温度有一定升高，但是幅值不大。这说明，涂胶后，螺牙间的摩擦磨损作用减小，产生的摩擦热较少，螺牙温度较低，不容易发生咬死现象。

图1 螺栓咬死试验过程Fig.1 Thread seizing test process

图2 螺栓咬死试验过程Fig.2 Thread seizing test process

图3 螺纹咬死与温度试验Fig.3 Experiments of thread seizing-temperature

2.4 涂胶后螺牙磨损形貌观察

对涂胶后预紧40次未发生咬死的试样进行切割、清理和显微镜观察。将螺栓从螺牙底部沿着垂直于轴线方向进行线切割，以观察螺牙表面的磨损形貌。选取第1个螺纹配合的螺牙（距离传感器一端）为观察对象（如图4所示），螺牙表面基本上无磨损。

图4 涂胶后螺牙磨损形貌Fig.4 Wear morphology of thread after coating

2.5 涂胶前后不锈钢螺纹连接部位防松性能的对比试验

螺纹锁固剂里含有的抗咬死剂实质是一种润滑剂，目的是减小内外螺纹螺牙间的摩擦系数；此外还添加了防松动剂，目的是提高螺牙间的粘接能力。为了验证该螺纹锁固剂对不锈钢螺纹连接防松性能的影响，对涂胶前后不锈钢螺栓在横向振动载荷作用下，其预紧力的变化进行了试验研究。

试验过程中可实时采集预紧力的大小及变化，通过预紧力的下降程度可以判断螺栓防松效果的优劣。因此，设定涂胶前后预紧力的大小相同，且试验过程中施加的振动载荷（载荷波形、幅值、频率和次数）是一致的。

考虑到地铁车辆上使用的不锈钢螺栓所夹持的部位多为铝合金材料，其强度、硬度较低，因此，螺栓的拧紧力矩要较小。设置预紧力是基于拧紧力矩分别为30 N·m和25 N·m时对应的预紧力大小。分别取2组试样，每组5对螺栓螺母。对第1组试样分别进行预紧，预紧力矩为30 N·m，测量每个试样上的预紧力大小，对5个预紧力的结果取平均值，选取最终的试验预紧力为10.5 kN。同样的方式对第2组试样进行预紧，预紧力矩为25 Nm，计算预紧力的平均值，选取最终的试验预紧力为8.5 kN。试验过程中施加恒幅、恒频的正弦波位移振动载荷。车辆结构上第1阶振动频率一般为3～6 Hz左右，为了尽量与实际工况接近，试验设置载荷频率为5 Hz，位移幅值为0.3 mm，循环次数为10 000次。

对涂胶前后预紧力的下降进行对比，如图5所示的是预紧力下降的百分比柱状图。

图5 预紧力下降对比Fig.5 Comparison of pretightening force reduction

由图5可知：在横向振动的试验条件下，螺纹锁固剂能够有效减缓预紧力的下降，起到了螺栓防松效果，能够满足实际的需求。

2.6 涂胶前后不锈钢螺纹连接形貌对比

为了分析涂胶前后预紧力下降的原因，试验完成后，将螺栓的第1个配合螺牙（距传感器一端）从试样上切下，在显微镜下观察磨损形貌。图6（a）和图6（b）分别显示的是预紧力为10.5 kN时，不涂胶和涂胶后螺栓螺牙的表面形貌观察；图6（c）和图6（d）分别显示的是预紧力为8.5 kN时，不涂胶和涂胶后螺栓螺牙表面形貌的扫描电镜观察图。

图6 不涂胶、涂胶时螺牙的表面形貌[FN=10.5 kN，N=10 000次循环（a、b）]；不涂胶、涂胶时螺牙的表面形貌[FN=8.5 kN，N=10 000次循环（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）

对比涂胶前后螺牙表面的磨损形貌可以看出，相同预紧力水平下，涂胶后螺牙磨损程度较低，与预紧力下降的试验结果是一致的。结果表明，不锈钢螺栓防咬死及防松螺纹锁固剂固化后减缓了螺牙间的磨损，有利于提高不锈钢螺纹连接的防松效果。

3 结论

为了进行不锈钢螺纹连接部位发生咬死的试验研究、探明其发生机理，研制出了一种既可以防止不锈钢螺纹连接后发生咬死，又具有一定防松效果的特殊螺纹锁固剂。对使用该螺纹锁固剂后的不锈钢螺母、螺栓进行了防咬死及防松试验，结果表明，该螺纹锁固剂能够达到预期的目的。

[1]张雅琴.不锈钢螺栓锁死问题分析[J].科技与创新,2016,15(4):120-121.

[2]万蕾,孙璐,杨耀东.接头螺纹咬死失效原因分析[J].宇航材料工艺,2015,45(1):79-81.

[3]李文顶,孔鸣杰,江文达.不锈钢螺纹联接副损伤及咬死现象分析与解决措施[J].机电工程技术,2013,42(1):97-98.

[4]钱学宁,鄢家洪,高大伟,等.不锈钢紧固件咬死现象的工艺分析及改善措施[J].机械工程师,2015,47 (7):175-176.

[5]肖秀珍,梁士红.关于不锈钢螺栓锁死问题的探讨[J].机电产品开发与创新,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，高级工程师，从事车辆技术工艺工作并负责公司胶粘剂的工艺。E-mail：pxwei73@126.com。