高強(qiáng)度螺栓連接主要應(yīng)用于航空、航天、道路橋梁工程和鋼結(jié)構(gòu)安裝工程等重要場(chǎng)合。為了加強(qiáng)工程質(zhì)量管理,GB/T 50205 -2001[ 1] 對(duì)高強(qiáng)螺栓連接摩擦面的抗滑移系數(shù)和螺栓連接副的扭矩系數(shù)規(guī)定了嚴(yán)格的驗(yàn)收規(guī)范, 并且GB/T 1231 -2006 也對(duì)高強(qiáng)螺栓的技術(shù)參數(shù)及復(fù)檢數(shù)量和結(jié)果做了規(guī)定。筆者在工作過(guò)程中長(zhǎng)期接觸達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓的復(fù)檢工作, 由于國(guó)內(nèi)沒(méi)有對(duì)應(yīng)達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓的驗(yàn)收規(guī)范,一直都參照GB/ T 1231 -2006 , 但其檢測(cè)結(jié)果并不令人滿意。因此筆者對(duì)影響達(dá)克羅螺栓連接件扭矩系數(shù)的各種因素進(jìn)行分析, 通過(guò)試驗(yàn)研究其影響規(guī)律, 從而提出控制產(chǎn)品質(zhì)量的方法。

1  達(dá)克羅簡(jiǎn)述

    達(dá)克羅(Dacro tized)又稱鋅鉻膜涂層, 是國(guó)內(nèi)正處在起步階段的清潔生產(chǎn)工藝和一種高新技術(shù), 被譽(yù)為國(guó)際表面處理行業(yè)具有劃時(shí)代意義的新工藝。此工藝可以取代鋼鐵電鍍鋅、鎘、鋅基合金、熱浸鍍鋅、熱噴鋅和機(jī)械鍍鋅。達(dá)克羅作為一種新型的表面處理方法, 具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)超強(qiáng)的耐蝕性能:達(dá)克羅膜層的厚度僅為4～ 8 μm , 但其防銹效果卻是傳統(tǒng)電鍍鋅、熱鍍鋅或涂料涂覆法的7 ～ 10 倍以上。采用達(dá)克羅工藝處理的標(biāo)準(zhǔn)件和管接件經(jīng)耐鹽霧試驗(yàn)1 200 h 以上未出現(xiàn)紅銹。

(2)無(wú)氫脆性:達(dá)克羅的處理工藝使其沒(méi)有氫脆現(xiàn)象, 所以非常適合受力件的涂覆。

(3)高耐熱性:達(dá)克羅可以耐高溫腐蝕, 耐熱溫度可達(dá)300 ℃以上。而傳統(tǒng)的鍍鋅工藝在溫度達(dá)到100 ℃時(shí)就會(huì)起皮從而使產(chǎn)品報(bào)廢。

(4)良好的結(jié)合力及再涂性能:達(dá)克羅涂層與金屬基體有良好的結(jié)合力, 而且與其他附加涂層有強(qiáng)烈的粘著性, 處理后的零件易于噴涂著色, 與有機(jī)涂層的結(jié)合力甚至超過(guò)了磷化膜。

(5)良好的滲透性:由于靜電屏蔽效應(yīng), 工件的深孔、狹縫以及管件的內(nèi)壁等部位難以電鍍上鋅, 因此工件的上述部位無(wú)法采用電鍍的方法進(jìn)行保護(hù)。達(dá)克羅則可以進(jìn)入工件的這些部位形成涂層。

(6)無(wú)污染和公害:達(dá)克羅在生產(chǎn)加工及工件涂覆的整個(gè)過(guò)程中, 不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有污染的廢水和廢氣, 不用進(jìn)行“三廢”治理, 降低了處理成本。

同時(shí), 它也有其局限性, 具體表現(xiàn)在:

(1)達(dá)克羅中含有對(duì)環(huán)境和人體有害的鉻離子, 尤其是六價(jià)鉻離子具有致癌作用。

(2)達(dá)克羅的燒結(jié)溫度較高、時(shí)間較長(zhǎng), 能耗大。

(3)達(dá)克羅的表面硬度不高、耐磨性不好, 而且達(dá)克羅涂層的產(chǎn)品不適合與銅、鎂、鎳和不銹鋼的零部件接觸與連接, 因?yàn)樗鼈儠?huì)產(chǎn)生接觸性腐蝕, 影響產(chǎn)品的表面質(zhì)量及防腐性能。

(4)達(dá)克羅涂層的表面顏色單一, 只有銀白色和銀灰色, 不適合個(gè)性化發(fā)展的需要。

(5)達(dá)克羅涂層的導(dǎo)電性能不佳, 因此不宜用于導(dǎo)電連接的零件, 如電器的接地螺栓等。基于以上特點(diǎn), 國(guó)內(nèi)外的許多工程越來(lái)越多地使用達(dá)克羅處理高強(qiáng)螺栓, 不但增強(qiáng)了螺栓的耐蝕性能, 同時(shí)提高了其美化程度。

2  達(dá)克羅與其他表面處理方式下的高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)比較

    對(duì)于相同條件下的裸螺栓在幾種常見的表面處理方式下的扭矩系數(shù)見表1 , 可見數(shù)值相差較大, 說(shuō)明不同表面處理方式對(duì)扭矩系數(shù)的影響很大。在未加潤(rùn)滑劑的情況下, 達(dá)克羅較發(fā)黑和鍍鋅處理能獲得更為理想的扭矩系數(shù);而與磷化和磷皂化相比, 能達(dá)到相同的處理效果。

3  影響達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓扭矩系數(shù)的因素

3 .1  螺紋間配合的松緊度

    通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 螺紋間配合松的螺栓扭矩系數(shù)小, 反之扭矩系數(shù)大, 即扭矩系數(shù)隨螺紋配合松緊度的增大而減小。

    根據(jù)文獻(xiàn)[ 2 -3] 對(duì)螺栓連接副的力學(xué)分析可知, 螺栓連接副的扭矩T 為:

式(3)反映了扭矩系數(shù)與螺栓連接副的各種結(jié)構(gòu)參數(shù)、螺紋要素及結(jié)合表面質(zhì)量的關(guān)系。λ越大, 其螺母與螺栓之間的配合越緊密, 扭矩系數(shù)相應(yīng)越大;反之則扭矩系數(shù)越小, 配合越松;f 越大, 螺母與墊片之間的摩擦越大, 扭矩系數(shù)也越大。但該公式在推導(dǎo)的過(guò)程中, 將內(nèi)外螺紋間的摩擦系數(shù)和螺母與支

撐(或墊片)結(jié)合面的摩擦系數(shù)視為相等, 忽視了螺栓頭與支撐面間的摩擦問(wèn)題, 沒(méi)有考慮螺紋的配合精度及摩擦系數(shù)的變化規(guī)律等問(wèn)題。另外, 該公式過(guò)于復(fù)雜, 且有些影響參數(shù)不便于實(shí)際檢測(cè), 因此在工程測(cè)試中不實(shí)用, 一般只適合在近似估算中使用。

3 .2  表面潤(rùn)滑

    同一種表面處理方式下, 進(jìn)行潤(rùn)滑與不進(jìn)行潤(rùn)滑處理后的扭矩系數(shù)差別也很大。以M16 mm ×55 mm螺栓為例, 如用達(dá)克羅涂覆鍍層, 在潤(rùn)滑后扭矩系數(shù)一般均可控制在0 .11 ～ 0 .15 , 具體試驗(yàn)結(jié)果見表2 , 而且可根據(jù)要求進(jìn)行不同的封閉潤(rùn)滑, 將扭矩系數(shù)控制在客戶要求的比較小的范圍內(nèi);但不進(jìn)行潤(rùn)滑的達(dá)克羅鍍層, 經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn), 一般其扭矩系數(shù)在0 .15 ～ 0 .20 , 具體試驗(yàn)結(jié)果見表3 。

經(jīng)過(guò)對(duì)近千余套達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),加入潤(rùn)滑劑后能有效降低其扭矩系數(shù)。在安裝過(guò)程中也可以在螺栓與墊片的接觸面上涂少許潤(rùn)滑油。

3 .3  試驗(yàn)方法

    試驗(yàn)時(shí)扭矩扳手應(yīng)均勻加力, 這樣得到的扭矩系數(shù)比較準(zhǔn)確。當(dāng)逐次增加扭矩, 每次提高一個(gè)檔位時(shí), 在抵抗靜摩擦?xí)r所增加的扭矩已消耗殆盡, 這

樣反映出的扭矩系數(shù)是0 或較正常值略微上調(diào), 數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真。造成這種偏差的原因是靜摩擦與動(dòng)摩擦存在差別。鋼鐵的靜摩擦系數(shù)(潤(rùn)滑條件下)為

0 .1 ～ 0 .12 , 而動(dòng)摩擦系數(shù)為0 .05 ～ 0 .1(指平行移動(dòng), 在旋轉(zhuǎn)施力時(shí)摩擦系數(shù)變化更大)。

4  測(cè)定扭矩系數(shù)時(shí)的注意事項(xiàng)

    在測(cè)定扭矩系數(shù)時(shí)需注意以下問(wèn)題:

(1)批號(hào):每批高強(qiáng)螺栓連接副的生產(chǎn)批號(hào)、材料批號(hào)以及表面處理批號(hào)要一致, 三個(gè)批號(hào)一致時(shí)扭矩系數(shù)的離散度較小。

(2)設(shè)備及調(diào)試:軸力機(jī)和扭矩扳手等測(cè)試設(shè)備要求選用精度高的產(chǎn)品;扭矩扳手在測(cè)試前必須經(jīng)過(guò)校驗(yàn);軸力機(jī)要在檢定有效期內(nèi)使用。

(3)測(cè)試方法:在測(cè)試時(shí)加載必須連續(xù)、均勻地增加載荷, 同時(shí)在測(cè)試中墊圈不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

(4)扭矩系數(shù)及扭矩推薦值:這是生產(chǎn)單位的試驗(yàn)數(shù)據(jù), 僅作參考。而正式安裝時(shí)由于環(huán)境和氣候等條件變化, 推薦值會(huì)有所變化, 因此實(shí)際安裝時(shí)應(yīng)以實(shí)際測(cè)定值為準(zhǔn)。

5  結(jié)語(yǔ)

    現(xiàn)今國(guó)內(nèi)都是參照GB/ T 1231 -2006 對(duì)高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)的, 但對(duì)于經(jīng)過(guò)表面處理的達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓還未有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn), 另外國(guó)內(nèi)關(guān)于達(dá)克羅的處理工藝尚不成熟, 因此在生產(chǎn)和檢驗(yàn)的過(guò)程中必須考慮到螺紋間配合的松緊度、表面潤(rùn)滑以及檢驗(yàn)方法等因素的影響, 同時(shí)還需注意螺栓連接副的批號(hào)、設(shè)備及其調(diào)試等問(wèn)題, 才能更好地保證達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓的扭矩系數(shù)滿足客戶的要求。以上分析還不夠全面和深入, 不能保證每批達(dá)克羅高強(qiáng)螺栓扭矩的標(biāo)準(zhǔn)偏差都在0 .010 之內(nèi), 還需在后續(xù)的工作中進(jìn)行深入研究。