横向交变载荷作用下三种涂层螺栓的防松性能*

化俞新 李 丰 张德乾 刘 涛 严维明 刘建华 朱旻昊

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266111；2.西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室 四川成都 610031)

螺栓连接由于具有较强的通用性、可靠性和互换性等优点成为应用最广泛的连接形式之一。据统计，波音737飞机仅尾部结构就包含5万余个螺栓连接[1]。作为机械结构重要的连接部件，螺栓连接的可靠性对设备的安全运行至关重要。在服役过程中，螺栓轴向力不可避免地出现降低的现象。在服役初始阶段，可能不会对设备的安全运行造成明显影响，但是随着轴向力不断下降，结构可能出现异响、泄漏等故障，甚至引发重大安全事故。

目前，国内外学者对螺栓连接结构的松动机制进行了广泛研究，结果表明，螺栓连接结构的松动原因由多方面因素构成，主要包括材料变形、应力松弛、界面的相对滑移及微动磨损等。NASSAR、YANG等[2-3]通过研究轴向载荷下螺栓连接结构的松动行为发现，当工作载荷过大时，螺栓横截面的应力超过其材料的屈服强度，螺栓发生塑性变形，工作载荷卸载后，螺栓不能恢复至初始长度，被连接件压缩量减小，导致螺栓轴向力降低。YANG、NAH等[4-5]建立了定量计算螺栓预紧力与应力松弛的解析式，并研究了几种不同涂层厚度的高强度螺栓连接在1 000 h内的松动程度。研究结果发现，随着涂层厚度的增加，螺栓轴向力下降幅度增大。相关研究发现，高温环境下材料的应力松弛是法兰连接结构发生泄漏的重要原因[6-9]。PAI和HESS[10-11]研究了剪切载荷作用下螺栓连接接触界面的黏-滑状态。结果表明，螺纹接触表面的外加载荷足以抵抗其摩擦力时，螺栓发生松动；此外，根据测试结果确定了螺栓松动系数，并给出了临界松动位移的解析式。张明远等[12]针对该解析式进行了优化，提出了更为简单有效的计算方法。ZHANG等[13-14]研究了微动磨损对剪切载荷作用下螺栓连接松动行为的影响，并通过微粒子喷丸对螺栓进行表面处理，研究其对防松性能的影响。相关研究表明，螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损，并伴随氧化磨损、黏着磨损和磨粒磨损；由于界面磨屑的堆积或排出，螺栓轴向力出现先升高后降低的现象[15-18]。

目前针对螺栓连接防松方法的研究主要集中在如何控制螺纹配合面的相对旋转。按照防松方法的工作原理，可将其分为机械防松、永久防松和摩擦防松[19]。SASE等[20-21]将螺纹轮廓改变为阶梯形状，发明了阶梯锁紧螺栓(Step-Lock bolt)，并通过试验测试了其防松性能。RANJAN等[22]提出三次螺纹曲线的设计方法，与普通螺栓相比，基于三次螺纹曲线的螺栓连接结构具有很好的防松性能。HESS等[23]使用Junker振动试验机对采用不同弹性垫圈(齿形垫圈、平垫、齿形垫圈+低硬度平垫、齿形垫圈+高硬度平垫)的螺栓连接结构进行了防松性能测试。结果表明，采用齿形垫圈+低硬度平垫的螺栓连接结构防松性能最好。谭志勇等[24]通过控制螺母和被连接件外形几何参数，使连接件和被连接件在温度变化时变形相同，从而达到防松目的。孙鹏军等[25]提出增加高膨胀系数附加件的方法提高螺栓连接结构的防松性能。

目前对于螺栓连接结构的松动原因主要认识有：螺纹接触界面的相对滑动、塑性变形、应力松弛、支撑面的嵌入和微动磨损等，但是对于接触界面的微动磨损机制及其对螺栓松动的影响规律尚未认识清楚。本文作者为深入讨论螺纹接触界面微动运行行为对螺栓松动的影响规律，选用2种典型的减摩、耐磨涂层对螺栓进行表面处理，开展螺栓连接结构横向振动试验。试验结束后，利用扫描电子显微镜分析螺纹表面损伤形貌，揭示2种涂层螺栓螺纹表面的磨损机制。此外，与常用的电镀锌螺栓进行对比讨论，研究3种涂层螺栓的防松性能。

1 试验方法及试验材料

1.1 试验方法

螺栓连接结构横向振动试验装置如图1(a)所示。根据紧固件横向振动试验方法(GB/T 10431—2008)中介绍的振动试验机结构图，被连接件之间置入滚柱减小界面摩擦力，从而降低试验过程中被连接件之间的温升，避免传感器损坏。因此，文中试验为了减小上、下夹具之间的摩擦力，两者之间放置滚柱。首先将下夹具固定在试验台上，然后把螺栓依次穿过平垫、压力传感器、下夹具以及上夹具，并与螺母相连；使用数显扳手对螺栓施加预紧力矩，压力传感器实时监测螺栓轴向力；最后切换液压阀门夹紧上夹具。试验的位移幅值和频率均通过试验机控制系统进行设置。螺纹表面摩擦因数的测量装置如图1(b)所示。首先将试验装置固定在试验台上，螺栓穿过试验夹具，并与螺母相连；然后试验机夹头对螺栓头部施加一定的轴向拉力；最后缓慢对螺栓施加角位移，试验机传感器实时记录其施加的扭矩和角位移。

图1 试验装置

1.2 试验材料

文中试验选用45钢螺栓和螺母，其螺纹为普通公制螺纹M12×1.75，螺栓和螺母表面分别采用MoS2、WC/C和电镀锌涂层进行处理。由于螺栓在加工和运输过程中可能存在螺纹损伤，因此，试验前对所有螺栓和螺母进行筛选，排除螺纹存在明显缺陷的螺栓和螺母。45钢材料的化学成分和主要力学性能分别见表1和2。

表1 45钢的主要化学成分

1.2.1 涂层制备

试验螺栓和螺母表面涂敷的涂层分别是MoS2涂层、WC/C涂层和电镀锌涂层。MoS2涂层采用热喷涂技术进行制备，将MoS2粉末加热至半熔融或熔融状态，辅以喷涂枪高速喷向经过预先处理的螺栓螺纹表面，覆盖形成附着牢固的表面层，外观呈现灰色，且无光泽。WC/C涂层采用真空磁控溅射技术进行制备，首先将螺栓/螺母置于超声波清洗器中清洗15 min后，使用热风烘干机去除表面残余乙醇溶液。然后利用惰性离子(氩)在电场作用下加速对阴极靶材进行轰击，去除螺栓表面污染。最后为了提高涂层与螺栓基体之间的结合力，沉积Cr、Cr/WC层进行过渡，后续表面沉积WC/C涂层，其外观呈现灰黑色，有光泽。蓝白锌涂层螺栓在工业中采用电镀方法，外观呈现蓝白色。

1.2.2 涂层表征

利用共聚焦拉曼光谱仪分析MoS2涂层和WC/C涂层成分及结构，如图2所示。从图2(a)中可以看出，MoS2涂层存在2个拉曼振动模式，分别位于385 cm-1处的E2g′模式和410 cm-1处A1g模式，E2g′和A1g很大程度依赖层数信息。其中E2g′模式是由x-y面内Mo+S原子的振动所致，E2g′的不对称性受晶体颗粒的尺寸影响，而A1g模式是由S原子沿着z轴的振动引起的，反映了层间结构信息。将WC/C涂层不对称宽峰，通过高斯函数将其分解为2个峰，如图2(b)中示出的D与G峰强，分别位于1 345和1 547 cm-1处。其中D峰来源于T2g对称振动模式，表明sp3C-C杂化键的存在；G峰的存在由晶体石墨光学所允许的E2g区中心激振运动模式产生，象征存在sp2C-C杂化键，且ID/IG=0.95<1表明该涂层制备良好。

图2 2种涂层的Raman光谱

1.3 试验参数

根据机械设计手册[26]，螺栓预紧力在螺杆截面产生的拉应力一般不超过材料屈服强度的80%。针对碳钢螺栓，推荐的预紧力：

p0=(0.5～0.7)σsAs

(1)

式中：σs为螺栓材料的屈服强度；As为螺纹有效截面积。

M12螺纹有效截面积为86.3 mm2，结合表2，试验螺栓所推荐的预紧力15.10 kN≤p0≤21.14 kN。实际工程中，常用扭矩扳手的误差范围为±20%。考虑极端情况，文中试验选用的预紧力为12 kN。横向振动的载荷幅值和频率分别为0.2 mm和5 Hz，循环次数为2×104。

表2 45钢的主要力学性能

2 结果与讨论

2.1 螺纹摩擦因数

分别选取3种涂层螺栓/螺母，利用图1(b)所示试验装置，测量试验机加载的扭矩-转角曲线，如图3所示。在试验初始阶段，扭矩随着角位移增大而线性增加，此时螺纹接触界面处于黏着状态。当角位移达到一定值时，螺纹接触界面发生相对滑动。螺纹接触界面的摩擦力矩[15]可表示为

图3 不同涂层螺纹扭矩-转角曲线

式中：μ1为螺纹摩擦因数；β为螺纹升角；d2为螺纹中径；P为螺距。

根据方程(2)，计算螺纹接触界面的摩擦因数，如表3所示。

表3 不同螺纹接触界面间摩擦因数

2.2 螺栓螺纹损伤形貌

如图4所示，试验后镀锌螺纹表面主要呈现犁沟和剥层形貌，靠近螺纹牙顶区域出现严重的剥落坑，且螺纹表面磨损程度呈现出不规则与不均匀的特点。I区放大图所示出现严重微动磨损，表面存在剥落凹坑及周围不规则点蚀凹坑，局部损伤严重。进一步对磨损严重区域进行EDS成分分析，点A损伤区域含有大量的铁元素而未含锌元素，说明该处电镀锌涂层已完全剥落，螺纹基体完全显露，说明该处发生了疲劳磨损。对比A、C两点的元素含量可知，两处氧元素含量差别很小，不能判断损伤区域发生了氧化磨损。II区可见剥层与犁沟形貌，并伴随着明显的塑性流动。如图4(d)所示，EDS成分分析结果表明，点B处含有大量铁元素与少量锌元素，说明该处磨损也较为严重，镀锌涂层未被完全去除，说明该处的主要磨损机制为磨粒磨损。综上所述，电镀锌涂层螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损。

图4 镀锌螺纹表面SEM形貌及EDX成分：(a)表面SEM形貌；(b)I区域放大图；(c)II区域放大图；(d)EDX成分

为了进一步分析螺纹表面损伤，制备螺纹剖面试验样品，首先对其进行研磨抛光，然后利用电子显微镜观察螺纹剖面损伤形貌，如图5所示。可以看出，螺纹靠近表面萌生多条裂纹，即裂纹呈现多源性特征，这是由于螺纹表面承受高应力、大载荷幅值引起的。此外，裂纹首先沿着与螺纹表面呈小角度的方向扩展，然后沿着平行于螺纹表面的方向进行扩展，并与其他裂纹相互勾通，最后发生剥落，螺纹表面损伤呈剥层特征。

图5 螺纹剖面形貌

MoS2涂层螺栓螺纹表面的损伤形貌如图6所示。对比图4可知，MoS2涂层螺纹表面损伤相对轻微；图6(b)中I区磨损微区放大可见一片涂层剥落后的轻微犁沟形貌与不规则凹坑，图6(c)中II区磨损微区放大可见剥层形貌。这是由于MoS2涂层与基体结合力较低，在往复交变载荷作用下，涂层因剥落产生的磨屑(即MoS2颗粒)具有自润滑效果，减轻螺纹接触表面的微动损伤。EDS成分分析结果表明，点A主要含有大量铁元素和些许钼元素，表明点A所在区域涂层被完全去除。此外，点A氧元素含量明显高于点B，表明点A所在区域磨损过程中还发生氧化。因此，MoS2涂层螺栓螺纹表面主要的磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

图6 MoS2涂层螺纹表面SEM形貌及EDX成分：(a)表面SEM形貌；(b)I区域放大图；(c)II区域放大图；(d)EDX成分

WC/C涂层螺栓螺纹表面的损伤形貌如图7所示。相对于电镀锌涂层螺栓和MoS2涂层螺栓，WC/C涂层螺纹表面损伤轻微。图7(b)中I区磨损微区域主要呈剥层形貌，图7(c)中II区磨损非常轻微。EDS成分分析结果表明，点A和点B主要含有大量钨元素和碳元素，几乎未见铁元素和氧元素，说明螺纹基体未发生损伤。因此，WC/C涂层螺栓螺纹表面主要的磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损。

图7 WC/C涂层螺纹表面SEM形貌及EDX成分：(a)表面SEM形貌；(b)I区域放大图；(c)II区域放大图；(d)EDX成分

2.3 螺栓轴向力变化曲线

定义函数RF为经过N次循环加载后，螺栓轴向力与预紧力的百分比。图8(a)示出了预紧力矩为46 N·m时3种涂层螺栓的轴向力衰减曲线。可以看出，经过2×104次循环加载后，3种涂层螺栓连接结构松动差异较小，其中 MoS2涂层螺栓连接结构轴向力下降2.1%，WC/C涂层螺栓轴向力下降4.1%，电镀锌涂层螺栓轴向力下降5.4%。MoS2涂层螺栓螺纹表面的摩擦因数低，相同预紧力矩作用下螺栓预紧力高；同时，MoS2涂层具有自润滑性能，螺纹表面损伤轻微。因此，在相同预紧力矩下，MoS2涂层螺栓具有较好的防松性能。但是需要注意的是，在相同预紧力矩下，MoS2涂层螺栓的预紧力高，螺栓截面的应力大，在服役过程中可能发生疲劳断裂。

图8 不同预紧条件下螺栓轴向力变化曲线

12 kN预紧力作用下，3种涂层螺栓的轴向力衰减曲线如图8(b)所示。可以看出，MoS2涂层螺栓在经过600次循环加载后完全松动，这是因为在横向载荷作用下，螺纹接触界面因其低摩擦因数发生相对滑动，即发生了旋转松动。WC/C涂层螺栓轴向力下降1.4%，电镀锌涂层螺栓轴向力下降5.2%。

在相同预紧力矩/预紧力作用下，由于3种涂层螺纹表面摩擦因数的不同，螺纹根部的等效应力存在一定的差异。根据材料力学第四强度理论，螺纹根部的等效应力可表示为

式中：σa为螺栓轴向力引起的拉应力；τt为扭矩引起的剪切应力。

式中：p0为螺栓预紧力；d1为螺纹小径。

式中：Mt为螺杆截面上的扭矩；Wp为扭转截面系数；P和α分别为螺纹螺距和牙型半角；μt为螺纹表面摩擦因数。

将方程(4)、(5)代入方程(3)即可得到螺纹根部的等效应力。针对MoS2涂层和WC/C涂层螺栓，在与电镀锌涂层螺栓螺纹根部相同等效应力条件下，螺栓轴向力变化曲线如图8(c)所示。MoS2涂层螺栓在经过500次循环加载后发生完全松动，而WC/C涂层螺栓轴向力下降3.2%，电镀锌涂层螺栓轴向力下降5.4%。

综上所述，在考虑螺纹表面耐磨性能和螺栓连接结构疲劳性能的条件下，在螺纹表面涂覆WC/C涂层对螺栓连接结构具有较好防松效果。

3 结论

选用MoS2和WC/C涂层对螺栓进行表面处理，开展螺栓连接结构横向振动试验。试验结束后，分析螺纹表面的损伤形貌，揭示其主要磨损机制。此外，与常用的电镀锌涂层螺栓对比，讨论3种涂层螺栓的防松性能。获得的主要结论如下：

(1)二硫化钼涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损、磨粒磨损和氧化磨损，碳化钨涂层和电镀锌涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损和磨粒磨损。

(2)螺纹表面裂纹呈多源性特征，首先沿着与螺纹表面呈小角度方向扩展，然后沿着平行于螺纹表面的方向进行扩展，并与其他裂纹相互勾通，最后发生剥落，螺纹损伤表面呈剥层形貌。

(3)在相同预紧力或等效应力条件下，二硫化钼涂层螺栓因其界面低摩擦因数，防松性能较差，碳化钨涂层螺栓因其表面耐磨性能优异，防松性能最好；在相同预紧力矩条件下，二硫化钼涂层螺栓因轴向预紧力高，防松性能最好，碳化钨涂层螺栓次之，电镀锌螺栓最差。