A286小冠头双线螺栓磨损失效分析

杨必毅， 陈 昶， 刘振宇， 罗 欣， 林文钦

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092）

0 引言

进、排气门由小冠头双线螺栓（以下简称“双线螺栓”）与双耳浮动托板螺母（以下简称“托板螺母”）配合安装在机体结构上。双线螺栓材质为A286（奥氏体沉淀硬化型不锈钢），托板螺母材质为17-4PH（马氏体沉淀硬化型不锈钢），表面涂层均为MoS2。螺栓、螺母结构如图1所示。两者通过螺纹配合实现紧固作用。小冠头螺栓与双浮动托板螺母在经过4次安装、拆卸后，二者出现咬死现象。

图1 螺栓及螺母结构示意图Fig.1 Structure diagram of bolt and nut

唐春保等[1]在研究不锈钢螺栓咬死机理和预防措施的过程中通过实验对比发现，与碳钢螺栓相比，不锈钢材质的螺栓硬度相对较低，摩擦因素大，受力后螺纹易发生塑性变形。不锈钢材质的螺栓黏和性强，发生在螺牙表面的黏着磨损是造成螺栓在安装和拆卸过程中出现咬死现象的主要因素。万蕾等[2]在分析不锈钢管路接头咬死失效原因时发现，螺纹连接咬死后，内外螺牙都出现严重磨损，但其咬死前后的金相组织没有发生变化，说明螺牙磨损是造成咬死的主要原因。

失效双线螺栓与托板螺母的表面涂层MoS2是一种航空航天领域常用的干膜润滑剂，可在高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化还原、强辐射等特殊环境条件下有效地润滑机械部件[3]。其摩擦系数小，能起到有效减小双线螺栓与托板螺母间产生的摩擦阻力作用，因此该双线螺栓的失效原因与上述案例有一定的差异。本研究通过对双线螺栓和托板螺母的形貌、化学成分、力学性能等方面进行分析，确定双线螺栓与托板螺母配合失效的原因，为类似的结构紧固问题提供理论借鉴。

1 理化检验及结果

1.1 宏观观察

双线螺栓磨损和托板螺母收口变形的宏观形貌如图2所示。螺栓螺纹部分呈现光亮的金属光泽，而靠近螺栓光杆部分的螺纹处（未参与配合的螺纹）与双线螺栓原始颜色一致，呈现灰暗色；同时，螺栓螺纹磨损程度不一，严重处螺纹已磨损至目视不可见。对应的配套托板螺母收口部分呈现沿直径方向向外张开的现象，6瓣张开的程度不一，情况最严重的1瓣螺纹呈整体向外张开的变形态；在收口螺母的槽口之间可见有少量金属屑残留，金属屑呈光亮的金属光泽。

图2 螺栓及收口螺母外观形貌Fig.2 Appearance of bolt and convergent nut

1.2 成分分析

采用能谱仪对双线螺栓、托板螺母及金属屑进行化学成分分析，结果见表1。双线螺栓成分符合ASTM A286—2004对A286材料的要求；托板螺母成分符合ASTM A564M—2013对17-4PH材料的要求；金属屑成分与双线螺栓基本一致，因此收口螺母槽口及螺纹间夹杂的金属屑来自螺栓。

表1 能谱分析结果（质量分数 /%）Table 1 Energy spectrum analysis results (mass fraction /%)

1.3 金相组织检查

为进一步分析造成磨损失效的原因，沿双线螺栓和托板螺母纵向制备金相试样进行金相组织检查。按照GB/T 13298—2015[4]配置不锈钢腐蚀剂（VHCl=40 mL，VH2O=30 mL，VC2H5OH=25 mL，mCuCl2=5 g），对试样进行浸蚀后在显微镜下观察组织形态。

双线螺栓螺纹正常位置流线正常，微观组织无破裂、空洞、过热和磨削烧伤等现象，未见合金偏析；双线螺栓的螺纹磨损部位可见螺纹发生明显的塑性变形，如图3所示。

图3 双线螺栓金相组织Fig.3 Metallographic structure of double-thread bolt

图4为收口螺母的金相组织形貌。可见，收口螺母的螺纹处有白亮附着物，根据能谱分析结果可知其为托板螺母与双线螺栓配合锁紧过程中从双线螺栓上磨损掉落的组织（图4a）。收口螺母金相组织为马氏体+金属间化合物，未见异常（图4b）。

图4 收口螺母金相组织Fig.4 Metallographic structure of convergent nut

1.4 显微硬度测试

取抛光状态下的金相试样进行显微硬度测试。参考GB/T 1172—1999《黑色金属硬度与强度换算值》[5]，将双线螺栓显微硬度的平均值换算成抗拉强度，结果见表2。双线螺栓的抗拉强度均符合SAE AMS 5853B中A286热处理后的技术要求（σb≥1100 MPa）；双线螺栓的螺纹部位因滚制成形，导致显微硬度值比双线螺栓杆部位略高，托板螺母的硬度与双线螺栓杆部基本相当。由此可见，两者材料的硬度不是造成相互间异常磨损的原因。

表2 显微硬度测试结果Table 2 Micro hardness testing results

1.5 锁紧性能试验

通过对双线螺栓和托板螺母的结构及配合关系进行分析可知，双线螺栓和托板螺母是在安装锁紧过程中出现磨损破坏。为了研究因托板螺母收口尺寸对磨损失效造成的影响，试验取失效件同批次的双线螺栓和托板螺母进行锁紧性能试验，另取能正常安装的不同厂家生产的同图号、同材质双线螺栓和托板螺母进行对比试验，结果见表3。

表3 锁紧性能试验结果Table 3 Test results of lock performance

根据技术要求，托板螺母最大拧入力矩不大于3.4 N·m，最小拧出力矩不小于0.39 N·m。A供应商失效批双线螺栓分别在拧入至第9次和第6次时，拧入力矩急剧增加，且超过了最大拧入力矩要求；当第30次拧出时，发现螺纹配合部分已磨损严重，与失效件形貌基本相同。而经过相同拧出次数的B供应商产品则磨损轻微。使用B供应商产品继续进行试验，直至第719次拧出时，拧出力矩为0.39 N·m，依然满足技术要求；在后续拧入、拧出循环中，力矩呈逐渐下降趋势，螺纹有一定磨损，但较A供应商失效批产品的磨损程度轻很多。

对A、B供应商的双线螺栓和收口螺母各选取10组样本，采用数显游标卡尺对双线螺栓螺纹的大径和收口螺母螺纹的小径进行测量，结果见图5。A供应商的失效批双线螺栓和收口螺母与B供应商同图号、同材质安装正常的产品相比较，测量结果取95%的置信区间。按技术要求螺栓大径为6.000～5.820 mm，收口螺母小径为5.216～5.026 mm。实测A供应商螺栓大径平均值为5.850 mm，B供应商螺栓大径平均值为5.830 mm，A供应商收口螺母小径平均值为4.950 mm，B供应商收口螺母小径平均值为5.030 mm。A、B供应商的双线螺栓大径尺寸相当，A供应商双线螺栓大径平均尺寸比B供应商的大0.020 mm；相比B供应商，A供应商的收口螺母收口较紧且尺寸波动较大，A供应商收口螺母内径的平均收口尺寸比B供应商的小0.080 mm。

图5 A、B供应商产品尺寸对比Fig.5 Product size comparison of A and B suppliers

由锁紧试验和收口螺母尺寸测量结果可知，在螺栓尺寸一定的前提下，螺母的收口尺寸小于标准要求值是造成过早失效磨损的原因之一。

1.6 安装对比试验

为验证上述分析结论，设计互换安装试验。选取同尺寸规格、表面涂层相同的A供应商失效批双线螺栓、托板螺母和B供应商安装正常的双线螺栓、托板螺母，以及材料牌号为Ti6Al4V钛合金双线螺栓进行试验。试验方法及结果见表4。

表4 安装试验Table 4 Installation test

将A、B供应商托板螺母收口尺寸以“小”、“大”表示，安装试验结果“安装正常”、“磨损”、“咬死”分别用数字1、2、3表示。运用Minitab软件对试验结果进行分析，如图6所示。由此可以得出，收口螺母的收口尺寸与双线螺栓、托板螺母两者材料配合对安装结果有交互影响。

图6 安装试验结果Fig.6 Installation test results

2 分析与讨论

通过观察双线螺栓、托板螺母收口螺母的螺纹宏观形貌，结合收口螺母螺纹及槽口之间夹有金属屑的现象可知，在安装、拆卸过程中，双线螺栓螺纹发生磨损，出现材料转移并且咬死，该现象属于损坏程度最严重的一类黏着磨损。

一般来说，摩擦副之间发生黏着磨损主要与材料特性、接触压力与滑动速率等因素有关[2]。

2.1 材料特性

两金属表面发生黏着与相互形成的固溶体特性有关。由固溶性大的材料组成的摩擦副，黏着倾向更大。一般来说，相同金属材质或者晶格类型、晶格间距、电子密度、电化学性质相近的金属互溶性较大，容易发生黏着[6]。材料的塑性越大，抵抗黏着磨损的能力越弱[2]。相互配合的不锈钢若材料相同，则比不同材料时更容易产生咬死现象。如果由于设计要求需要选择相似材料时，应规定不同的硬度值[7]。

本文中发生黏着磨损的双线螺栓材质为A286，属于奥氏体沉淀硬化型不锈钢，其强度可在很大范围内变化，具有很好的塑性和低温韧性[8]。与之配合的托板螺母材质为17-4PH，属于马氏体沉淀硬化型不锈钢，具有高强度、高硬度以及良好的耐腐蚀性。两种材料性质相近、硬度相当且均为固溶态，组成互溶摩擦副，因此在摩擦配合中易产生黏着现象，进而导致磨损。磨屑不能及时排除，在拧紧过程中堆积量逐渐增加。当其堆积量超过螺纹副的容错能力，会造成收口螺母外张；同时，磨屑的堆积致使螺纹间发生阻塞和剪切，最终导致螺纹间产生黏着力，造成双线螺栓咬死。

2.2 接触压力与滑动速率

采用表面涂覆工艺能在很大程度上缩减摩擦系数，减小不锈钢螺纹副相互配合的摩擦力，从而实现降低咬死的概率[7]。A供应商失效批双线螺栓、托板螺母和与之进行对比的B供应商产品表面都是采用涂覆MoS2涂层实现减摩润滑的效果。2个供应商均采用相同的涂层涂覆工艺。涂层厚度按技术指标10～15 μm控制，工艺流程为清洗→干燥→喷砂→水洗→干燥→钝化→水洗→中和→水洗→干燥→浸涂→喷涂→固化。结合对比试验的结果可知，涂层厚度不是造成失效的原因。

双线螺栓与托板螺母产生的螺纹配合主要在托板螺母的收口螺母部分，该部分为自锁锥形六角结构，采用锥形收口。其原理是通过对带内螺纹螺母的圆锥端进行变形或收口，当螺栓拧入到螺母变形位置时产生干涉配合，从而起到防松效果[9]。根据螺纹防松原理并结合收口螺母的特点，实现防松的核心是收口螺母径向压紧在双线螺栓上，产生防止相对滑动摩擦力。摩擦力矩是自锁收口螺母的主要控制指标，其在一定程度上受到螺母的结构、外形尺寸、材料、热处理、螺纹制造公差等影响，但是最关键的影响因素是收口螺母的收口尺寸[10-11]。

通过双线螺栓与托板螺母的锁紧试验及双线螺栓外径、收口螺母内径的尺寸测量结果可以得知，A供应商失效批双线螺栓磨损与其收口螺母收口尺寸强相关。当螺栓尺寸一定时，收口螺母收口尺寸偏小，会造成双线螺栓与螺母配合产生的摩擦力持续增加，在锁紧和拆卸时，螺牙间的压力和摩擦力会破坏表面MoS2涂层，致使同属不锈钢材质的双线螺栓与托板螺母配合的螺纹副直接接触摩擦。由于不锈钢材料螺栓摩擦系数大，受力后螺纹易发生塑性变形，黏合性强，双线螺栓与托板螺母在摩擦过程中发生黏着，进而磨损，最终导致螺纹咬死[12-15]。

在摩擦速率一定时，黏着磨损量随接触压力的增大而增大，当接触压力超过材料硬度的1/3时，黏着磨损量急剧增加，严重时会产生咬死[16]。

3 结论

1）双耳浮动托板螺母的收口螺母收口较小，螺栓与螺母螺纹配合过程中产生的摩擦力异常增加，导致双线螺栓过快磨损。

2）双线螺栓与螺母材料性质相近，两者在摩擦配合中产生黏着，进而产生磨损。