A286小冠頭雙線螺栓磨損失效分析

楊必毅， 陳 昶， 劉振宇， 羅 欣， 林文欽

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610092）

0 引言

進、排氣門由小冠頭雙線螺栓（以下簡稱“雙線螺栓”）與雙耳浮動托板螺母（以下簡稱“托板螺母”）配合安裝在機體結構上。雙線螺栓材質為A286（奧氏體沉淀硬化型不銹鋼），托板螺母材質為17-4PH（馬氏體沉淀硬化型不銹鋼），表面涂層均為MoS2。螺栓、螺母結構如圖1所示。兩者通過螺紋配合實現緊固作用。小冠頭螺栓與雙浮動托板螺母在經過4次安裝、拆卸后，二者出現咬死現象。

圖1 螺栓及螺母結構示意圖Fig.1 Structure diagram of bolt and nut

唐春保等[1]在研究不銹鋼螺栓咬死機理和預防措施的過程中通過實驗對比發現，與碳鋼螺栓相比，不銹鋼材質的螺栓硬度相對較低，摩擦因素大，受力后螺紋易發生塑性變形。不銹鋼材質的螺栓黏和性強，發生在螺牙表面的黏著磨損是造成螺栓在安裝和拆卸過程中出現咬死現象的主要因素。萬蕾等[2]在分析不銹鋼管路接頭咬死失效原因時發現，螺紋連接咬死后，內外螺牙都出現嚴重磨損，但其咬死前后的金相組織沒有發生變化，說明螺牙磨損是造成咬死的主要原因。

失效雙線螺栓與托板螺母的表面涂層MoS2是一種航空航天領域常用的干膜潤滑劑，可在高溫、高負荷、超低溫、超高真空、強氧化還原、強輻射等特殊環境條件下有效地潤滑機械部件[3]。其摩擦系數小，能起到有效減小雙線螺栓與托板螺母間產生的摩擦阻力作用，因此該雙線螺栓的失效原因與上述案例有一定的差異。本研究通過對雙線螺栓和托板螺母的形貌、化學成分、力學性能等方面進行分析，確定雙線螺栓與托板螺母配合失效的原因，為類似的結構緊固問題提供理論借鑒。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀觀察

雙線螺栓磨損和托板螺母收口變形的宏觀形貌如圖2所示。螺栓螺紋部分呈現光亮的金屬光澤，而靠近螺栓光桿部分的螺紋處（未參與配合的螺紋）與雙線螺栓原始顏色一致，呈現灰暗色；同時，螺栓螺紋磨損程度不一，嚴重處螺紋已磨損至目視不可見。對應的配套托板螺母收口部分呈現沿直徑方向向外張開的現象，6瓣張開的程度不一，情況最嚴重的1瓣螺紋呈整體向外張開的變形態；在收口螺母的槽口之間可見有少量金屬屑殘留，金屬屑呈光亮的金屬光澤。

圖2 螺栓及收口螺母外觀形貌Fig.2 Appearance of bolt and convergent nut

1.2 成分分析

采用能譜儀對雙線螺栓、托板螺母及金屬屑進行化學成分分析，結果見表1。雙線螺栓成分符合ASTM A286—2004對A286材料的要求；托板螺母成分符合ASTM A564M—2013對17-4PH材料的要求；金屬屑成分與雙線螺栓基本一致，因此收口螺母槽口及螺紋間夾雜的金屬屑來自螺栓。

表1 能譜分析結果（質量分數 /%）Table 1 Energy spectrum analysis results (mass fraction /%)

1.3 金相組織檢查

為進一步分析造成磨損失效的原因，沿雙線螺栓和托板螺母縱向制備金相試樣進行金相組織檢查。按照GB/T 13298—2015[4]配置不銹鋼腐蝕劑（VHCl=40 mL，VH2O=30 mL，VC2H5OH=25 mL，mCuCl2=5 g），對試樣進行浸蝕后在顯微鏡下觀察組織形態。

雙線螺栓螺紋正常位置流線正常，微觀組織無破裂、空洞、過熱和磨削燒傷等現象，未見合金偏析；雙線螺栓的螺紋磨損部位可見螺紋發生明顯的塑性變形，如圖3所示。

圖3 雙線螺栓金相組織Fig.3 Metallographic structure of double-thread bolt

圖4為收口螺母的金相組織形貌?？梢?，收口螺母的螺紋處有白亮附著物，根據能譜分析結果可知其為托板螺母與雙線螺栓配合鎖緊過程中從雙線螺栓上磨損掉落的組織（圖4a）。收口螺母金相組織為馬氏體+金屬間化合物，未見異常（圖4b）。

圖4 收口螺母金相組織Fig.4 Metallographic structure of convergent nut

1.4 顯微硬度測試

取拋光狀態下的金相試樣進行顯微硬度測試。參考GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度與強度換算值》[5]，將雙線螺栓顯微硬度的平均值換算成抗拉強度，結果見表2。雙線螺栓的抗拉強度均符合SAE AMS 5853B中A286熱處理后的技術要求（σb≥1100 MPa）；雙線螺栓的螺紋部位因滾制成形，導致顯微硬度值比雙線螺栓桿部位略高，托板螺母的硬度與雙線螺栓桿部基本相當。由此可見，兩者材料的硬度不是造成相互間異常磨損的原因。

表2 顯微硬度測試結果Table 2 Micro hardness testing results

1.5 鎖緊性能試驗

通過對雙線螺栓和托板螺母的結構及配合關系進行分析可知，雙線螺栓和托板螺母是在安裝鎖緊過程中出現磨損破壞。為了研究因托板螺母收口尺寸對磨損失效造成的影響，試驗取失效件同批次的雙線螺栓和托板螺母進行鎖緊性能試驗，另取能正常安裝的不同廠家生產的同圖號、同材質雙線螺栓和托板螺母進行對比試驗，結果見表3。

表3 鎖緊性能試驗結果Table 3 Test results of lock performance

根據技術要求，托板螺母最大擰入力矩不大于3.4 N·m，最小擰出力矩不小于0.39 N·m。A供應商失效批雙線螺栓分別在擰入至第9次和第6次時，擰入力矩急劇增加，且超過了最大擰入力矩要求；當第30次擰出時，發現螺紋配合部分已磨損嚴重，與失效件形貌基本相同。而經過相同擰出次數的B供應商產品則磨損輕微。使用B供應商產品繼續進行試驗，直至第719次擰出時，擰出力矩為0.39 N·m，依然滿足技術要求；在后續擰入、擰出循環中，力矩呈逐漸下降趨勢，螺紋有一定磨損，但較A供應商失效批產品的磨損程度輕很多。

對A、B供應商的雙線螺栓和收口螺母各選取10組樣本，采用數顯游標卡尺對雙線螺栓螺紋的大徑和收口螺母螺紋的小徑進行測量，結果見圖5。A供應商的失效批雙線螺栓和收口螺母與B供應商同圖號、同材質安裝正常的產品相比較，測量結果取95%的置信區間。按技術要求螺栓大徑為6.000～5.820 mm，收口螺母小徑為5.216～5.026 mm。實測A供應商螺栓大徑平均值為5.850 mm，B供應商螺栓大徑平均值為5.830 mm，A供應商收口螺母小徑平均值為4.950 mm，B供應商收口螺母小徑平均值為5.030 mm。A、B供應商的雙線螺栓大徑尺寸相當，A供應商雙線螺栓大徑平均尺寸比B供應商的大0.020 mm；相比B供應商，A供應商的收口螺母收口較緊且尺寸波動較大，A供應商收口螺母內徑的平均收口尺寸比B供應商的小0.080 mm。

圖5 A、B供應商產品尺寸對比Fig.5 Product size comparison of A and B suppliers

由鎖緊試驗和收口螺母尺寸測量結果可知，在螺栓尺寸一定的前提下，螺母的收口尺寸小于標準要求值是造成過早失效磨損的原因之一。

1.6 安裝對比試驗

為驗證上述分析結論，設計互換安裝試驗。選取同尺寸規格、表面涂層相同的A供應商失效批雙線螺栓、托板螺母和B供應商安裝正常的雙線螺栓、托板螺母，以及材料牌號為Ti6Al4V鈦合金雙線螺栓進行試驗。試驗方法及結果見表4。

表4 安裝試驗Table 4 Installation test

將A、B供應商托板螺母收口尺寸以“小”、“大”表示，安裝試驗結果“安裝正?！?、“磨損”、“咬死”分別用數字1、2、3表示。運用Minitab軟件對試驗結果進行分析，如圖6所示。由此可以得出，收口螺母的收口尺寸與雙線螺栓、托板螺母兩者材料配合對安裝結果有交互影響。

圖6 安裝試驗結果Fig.6 Installation test results

2 分析與討論

通過觀察雙線螺栓、托板螺母收口螺母的螺紋宏觀形貌，結合收口螺母螺紋及槽口之間夾有金屬屑的現象可知，在安裝、拆卸過程中，雙線螺栓螺紋發生磨損，出現材料轉移并且咬死，該現象屬于損壞程度最嚴重的一類黏著磨損。

一般來說，摩擦副之間發生黏著磨損主要與材料特性、接觸壓力與滑動速率等因素有關[2]。

2.1 材料特性

兩金屬表面發生黏著與相互形成的固溶體特性有關。由固溶性大的材料組成的摩擦副，黏著傾向更大。一般來說，相同金屬材質或者晶格類型、晶格間距、電子密度、電化學性質相近的金屬互溶性較大，容易發生黏著[6]。材料的塑性越大，抵抗黏著磨損的能力越弱[2]。相互配合的不銹鋼若材料相同，則比不同材料時更容易產生咬死現象。如果由于設計要求需要選擇相似材料時，應規定不同的硬度值[7]。

本文中發生黏著磨損的雙線螺栓材質為A286，屬于奧氏體沉淀硬化型不銹鋼，其強度可在很大范圍內變化，具有很好的塑性和低溫韌性[8]。與之配合的托板螺母材質為17-4PH，屬于馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，具有高強度、高硬度以及良好的耐腐蝕性。兩種材料性質相近、硬度相當且均為固溶態，組成互溶摩擦副，因此在摩擦配合中易產生黏著現象，進而導致磨損。磨屑不能及時排除，在擰緊過程中堆積量逐漸增加。當其堆積量超過螺紋副的容錯能力，會造成收口螺母外張；同時，磨屑的堆積致使螺紋間發生阻塞和剪切，最終導致螺紋間產生黏著力，造成雙線螺栓咬死。

2.2 接觸壓力與滑動速率

采用表面涂覆工藝能在很大程度上縮減摩擦系數，減小不銹鋼螺紋副相互配合的摩擦力，從而實現降低咬死的概率[7]。A供應商失效批雙線螺栓、托板螺母和與之進行對比的B供應商產品表面都是采用涂覆MoS2涂層實現減摩潤滑的效果。2個供應商均采用相同的涂層涂覆工藝。涂層厚度按技術指標10～15 μm控制，工藝流程為清洗→干燥→噴砂→水洗→干燥→鈍化→水洗→中和→水洗→干燥→浸涂→噴涂→固化。結合對比試驗的結果可知，涂層厚度不是造成失效的原因。

雙線螺栓與托板螺母產生的螺紋配合主要在托板螺母的收口螺母部分，該部分為自鎖錐形六角結構，采用錐形收口。其原理是通過對帶內螺紋螺母的圓錐端進行變形或收口，當螺栓擰入到螺母變形位置時產生干涉配合，從而起到防松效果[9]。根據螺紋防松原理并結合收口螺母的特點，實現防松的核心是收口螺母徑向壓緊在雙線螺栓上，產生防止相對滑動摩擦力。摩擦力矩是自鎖收口螺母的主要控制指標，其在一定程度上受到螺母的結構、外形尺寸、材料、熱處理、螺紋制造公差等影響，但是最關鍵的影響因素是收口螺母的收口尺寸[10-11]。

通過雙線螺栓與托板螺母的鎖緊試驗及雙線螺栓外徑、收口螺母內徑的尺寸測量結果可以得知，A供應商失效批雙線螺栓磨損與其收口螺母收口尺寸強相關。當螺栓尺寸一定時，收口螺母收口尺寸偏小，會造成雙線螺栓與螺母配合產生的摩擦力持續增加，在鎖緊和拆卸時，螺牙間的壓力和摩擦力會破壞表面MoS2涂層，致使同屬不銹鋼材質的雙線螺栓與托板螺母配合的螺紋副直接接觸摩擦。由于不銹鋼材料螺栓摩擦系數大，受力后螺紋易發生塑性變形，黏合性強，雙線螺栓與托板螺母在摩擦過程中發生黏著，進而磨損，最終導致螺紋咬死[12-15]。

在摩擦速率一定時，黏著磨損量隨接觸壓力的增大而增大，當接觸壓力超過材料硬度的1/3時，黏著磨損量急劇增加，嚴重時會產生咬死[16]。

3 結論

1）雙耳浮動托板螺母的收口螺母收口較小，螺栓與螺母螺紋配合過程中產生的摩擦力異常增加，導致雙線螺栓過快磨損。

2）雙線螺栓與螺母材料性質相近，兩者在摩擦配合中產生黏著，進而產生磨損。