钛合金螺纹紧固件在船舶制造中的应用

    

“普罗米修斯”中央结构材料科学研究院是俄罗斯研究海洋技术用钛合金的科研单位。这些钛合金的优点在于在各种极端条件下仍能运转,并能保证相应结构件的安全性和使用寿命。钛合金最独特的一个性能就是在腐蚀性环境下具有较高的耐腐蚀性和耐腐蚀机械强度、无磁性、良好的焊接性、低温时不会出现冷脆性、低周和高周负荷和腐蚀作用下的高强度性以及工艺性,是海洋技术、化工、原子能领域最具发展潜力的材料。
 钛合金作为结构材料的缺点是较低的耐磨性能。钛与钛摩擦时,“卡紧”载荷为1.0-1.2MPa,摩擦系数为0.5-0.65。较高的耐磨性应该是金属粒子从一面向另一面积极转移(“卡紧”显微法则)。由于较高的摩擦系数,会出现擦伤的危险性,在较高的压力下出现冷粘结。
 通过合金化获取较高强度和固体表面的摩擦对来改善钛合金的抗摩擦性能,会提高卡紧的临界负荷,但是通常不能保证解决该问题。
钛合金螺纹紧固件是钛制品的一个种类,具有较高的负荷表面摩擦。
制造用于核动力、石油、船舶和其它工业领域的现代化设备,由于与之相关的设备不断增大运转压力和其它参数,在此结果下零部件的运转环境需承受较大的负荷。保证法兰连接件配件的密封性、工作效率和较高的安全性,会引起法兰端面轴向压缩力增大。因此增大了紧固件的拉伸应力。
在“普罗米修斯”中央结构材料科学研究院,通过在钛表层镀层、选择摩擦对的抗摩擦材料、进行摩擦对的实验室试验和实体试验来解决在活动连接件中使用钛而出现的问题。
在拧紧螺纹紧固件时会出现大的接触压力。此时螺纹表面的抗摩擦镀层出现滑滚现象,很容易使螺纹紧固件断裂。在局部接触地方还形成钛的初生表面,在其表面出现螺杆和螺母的摩擦接触,便于显微焊接和将其卡紧。
通过使用基体材料为油和肥皂的各种粘度(50-100mm2/s)的润滑油,在改善抗摩擦性能时,没有达到明显的效果,因为这些润滑油不会浸湿钛表面,在拧紧时易从螺纹处被挤出来。螺纹摩擦系数比干摩擦系数小。在拧紧螺纹紧固件时,为了避免卡紧,利用工业润滑油,接触压力限制在147、196MPa。必须限制(保证允许的)螺纹的接触应力,螺纹工作截面的实际应力应低于所允许的应力。
 

由关系图可知,紧固件甚至是由中强度合金制成的,在螺杆或螺栓的工作截面出现负荷不足现象。因此必须使用高强度合金钛。
此时应该注意到,螺杆和螺母的连接表面具有粗糙度和波纹度,是制作紧固件时切削工具的相互作用导致,也有可能是型材和螺纹规格几何尺寸的不精确性形成。螺杆和螺母的螺纹表面偏差的分布位置基本上不会重合。因此螺杆和螺母的表面接触点明显减少。

           

还应该注意到,在极端条件下,为了保证船舶制造、能源化工设备的高负荷可拆卸零部件的工作效率和安全性,需要保证法兰连接件接头的密封性。鉴于此目的,中强度钛合金紧固件的强度性能远远不能满足该要求。
因此,解决该问题的方法是使用高强度螺纹钛焊接件,有助于在拧紧时形成有利的紧固接触条件。焊接件拧紧旋转力矩会克服螺纹和螺母端面上的摩擦力,并在螺纹上形成轴向力。此时螺母沿螺纹表面发生位移,引起螺杆的轴向拉伸力。摩擦力越大,旋转力矩的大部分都消耗在克服摩擦力上,一小部分形成轴向拧紧力。优化表面质量,或研制和选择较高耐磨性能的润滑油,是由于螺纹上的摩擦力减小而降低了摩擦系数。在这种情况下,拧紧旋转力矩主要转向较高的轴向力,保证法兰连接件对接的密封性。

由这些数据可知,多大的摩擦系数(μ)就能影响多大的螺杆轴向力,同时还影响法兰连接件表面的压缩力。所以,在无润滑地拧紧钛合金螺杆(μ≈0.5)和镀镉钢(μ≈0.1)时,轴向力的差异能达到4-5倍。为了形成所需的拧紧力,连接件钛螺纹的摩擦系数应该减小到0.05-0.1。尽管在这一方面取得了良好的效果,但还需研制一些有效的方法,保证较大程度地提高卡紧强度和降低摩擦系数。曾利用法兰连接件模拟试验确定拧紧力矩和轴向力之间的相互关系。
可以通过测力计得出拧紧力矩。摩擦系数通过拧紧力矩和轴向力之间的对比关系确定。
5N·M后停止旋转力矩的梯度载荷,拧紧连接件。根据张线式传感器上的数据,在每次停止时测量轴向力。建立拧紧旋转力矩和轴向力之间的关系。
试验时,使用工业润滑油:AMC-3、YCCA等。曾经对由石墨混合物组成的润滑油进行了对比分析。螺纹表面应该使用纯石墨和石墨铜润滑油。数据显示,使用工业润滑油在卡紧螺纹连接件时能卡紧,并且最大应力不会超过100-150MPa,基本上小于螺纹截面上的断裂应力。
使用含有石墨成分的润滑油可以优化接触表面的螺纹拧合性。最有效的润滑效果是使用石墨铜润滑油。

在无润滑拧紧时,钛与钛之间的摩擦系数会降低,然后逐渐增大直至卡紧。此时摩擦系数明显高于卡紧镀镉钢时的,初次安装时摩擦系数为0.1-0.15,再次安装时减低到0.08-0.12,在第30次安装时又增大到0.25-0.3。使用YCCA润滑油安装钛连接件时的摩擦系数与安装镀镉钢连接件时的相近。此时摩擦系数降低,到第30次安装时其数值为0.15-0.22。
使用石墨铜润滑油时,主要会减少螺纹及其端面上的摩擦系数。初次安装时摩擦系数为0.12-0.16。随后拧紧时摩擦系数会逐渐减小,接近于0.04-0.06,基本上不随安装次数的增加而发生变化。在同一拧紧旋转力矩下,较低的摩擦系数获得的轴向负荷都高于无润滑拧紧螺纹紧固件的负荷。摩擦系数的变化是由于在初次拧紧螺纹连接件时,去除了螺纹表面的微观不平度和对螺杆和螺母的工作表面进行打磨。此时紧切表面的显微凹处填满了大量的层状润滑油。在这种情况下表面清洁度超过2级。以润滑油为基体的钛螺纹表面的接触摩擦条件接近“无摩擦”。使用该种复合润滑油能降低摩擦系数,提高轴向力,能保证螺杆螺纹工作截面强度所允许的应力。
结论
1.钛合金法兰连接件不允许使用矿物性工业润滑油,因为在拧紧时发生卡紧现象,形成不超过150MPa的轴向力,这是无效的,因为基本上都小于螺纹截面上的断裂应力。
2.使用石墨铜润滑油可以降低摩擦系数到0.03-0.05,同时提高所允许的接触应力到294-343MPa,能明显改善螺纹紧固连接件的拧合性。
3.使用石墨铜润滑油能保证提高极限强度为800-900 MPa的钛合金法兰连接件所允许的卡紧应力和接触密度。因此高强钛合金由于较高的工作性能而被用于高负荷结构件中。