鈦合金螺紋緊固件在船舶制造中的應用

    

“普羅米修斯”中央結構材料科學研究院是俄羅斯研究海洋技術用鈦合金的科研單位。這些鈦合金的優點在于在各種極端條件下仍能運轉,并能保證相應結構件的安全性和使用壽命。鈦合金最獨特的一個性能就是在腐蝕性環境下具有較高的耐腐蝕性和耐腐蝕機械強度、無磁性、良好的焊接性、低溫時不會出現冷脆性、低周和高周負荷和腐蝕作用下的高強度性以及工藝性,是海洋技術、化工、原子能領域最具發展潛力的材料。
 鈦合金作為結構材料的缺點是較低的耐磨性能。鈦與鈦摩擦時,“卡緊”載荷為1.0-1.2MPa,摩擦系數為0.5-0.65。較高的耐磨性應該是金屬粒子從一面向另一面積極轉移(“卡緊”顯微法則)。由于較高的摩擦系數,會出現擦傷的危險性,在較高的壓力下出現冷粘結。
 通過合金化獲取較高強度和固體表面的摩擦對來改善鈦合金的抗摩擦性能,會提高卡緊的臨界負荷,但是通常不能保證解決該問題。
鈦合金螺紋緊固件是鈦制品的一個種類,具有較高的負荷表面摩擦。
制造用于核動力、石油、船舶和其它工業領域的現代化設備,由于與之相關的設備不斷增大運轉壓力和其它參數,在此結果下零部件的運轉環境需承受較大的負荷。保證法蘭連接件配件的密封性、工作效率和較高的安全性,會引起法蘭端面軸向壓縮力增大。因此增大了緊固件的拉伸應力。
在“普羅米修斯”中央結構材料科學研究院,通過在鈦表層鍍層、選擇摩擦對的抗摩擦材料、進行摩擦對的實驗室試驗和實體試驗來解決在活動連接件中使用鈦而出現的問題。
在擰緊螺紋緊固件時會出現大的接觸壓力。此時螺紋表面的抗摩擦鍍層出現滑滾現象,很容易使螺紋緊固件斷裂。在局部接觸地方還形成鈦的初生表面,在其表面出現螺桿和螺母的摩擦接觸,便于顯微焊接和將其卡緊。
通過使用基體材料為油和肥皂的各種粘度(50-100mm2/s)的潤滑油,在改善抗摩擦性能時,沒有達到明顯的效果,因為這些潤滑油不會浸濕鈦表面,在擰緊時易從螺紋處被擠出來。螺紋摩擦系數比干摩擦系數小。在擰緊螺紋緊固件時,為了避免卡緊,利用工業潤滑油,接觸壓力限制在147、196MPa。必須限制(保證允許的)螺紋的接觸應力,螺紋工作截面的實際應力應低于所允許的應力。
 

由關系圖可知,緊固件甚至是由中強度合金制成的,在螺桿或螺栓的工作截面出現負荷不足現象。因此必須使用高強度合金鈦。
此時應該注意到,螺桿和螺母的連接表面具有粗糙度和波紋度,是制作緊固件時切削工具的相互作用導致,也有可能是型材和螺紋規格幾何尺寸的不精確性形成。螺桿和螺母的螺紋表面偏差的分布位置基本上不會重合。因此螺桿和螺母的表面接觸點明顯減少。

           

還應該注意到,在極端條件下,為了保證船舶制造、能源化工設備的高負荷可拆卸零部件的工作效率和安全性,需要保證法蘭連接件接頭的密封性。鑒于此目的,中強度鈦合金緊固件的強度性能遠遠不能滿足該要求。
因此,解決該問題的方法是使用高強度螺紋鈦焊接件,有助于在擰緊時形成有利的緊固接觸條件。焊接件擰緊旋轉力矩會克服螺紋和螺母端面上的摩擦力,并在螺紋上形成軸向力。此時螺母沿螺紋表面發生位移,引起螺桿的軸向拉伸力。摩擦力越大,旋轉力矩的大部分都消耗在克服摩擦力上,一小部分形成軸向擰緊力。優化表面質量,或研制和選擇較高耐磨性能的潤滑油,是由于螺紋上的摩擦力減小而降低了摩擦系數。在這種情況下,擰緊旋轉力矩主要轉向較高的軸向力,保證法蘭連接件對接的密封性。

由這些數據可知,多大的摩擦系數(μ)就能影響多大的螺桿軸向力,同時還影響法蘭連接件表面的壓縮力。所以,在無潤滑地擰緊鈦合金螺桿(μ≈0.5)和鍍鎘鋼(μ≈0.1)時,軸向力的差異能達到4-5倍。為了形成所需的擰緊力,連接件鈦螺紋的摩擦系數應該減小到0.05-0.1。盡管在這一方面取得了良好的效果,但還需研制一些有效的方法,保證較大程度地提高卡緊強度和降低摩擦系數。曾利用法蘭連接件模擬試驗確定擰緊力矩和軸向力之間的相互關系。
可以通過測力計得出擰緊力矩。摩擦系數通過擰緊力矩和軸向力之間的對比關系確定。
5N·M后停止旋轉力矩的梯度載荷,擰緊連接件。根據張線式傳感器上的數據,在每次停止時測量軸向力。建立擰緊旋轉力矩和軸向力之間的關系。
試驗時,使用工業潤滑油:AMC-3、YCCA等。曾經對由石墨混合物組成的潤滑油進行了對比分析。螺紋表面應該使用純石墨和石墨銅潤滑油。數據顯示,使用工業潤滑油在卡緊螺紋連接件時能卡緊,并且最大應力不會超過100-150MPa,基本上小于螺紋截面上的斷裂應力。
使用含有石墨成分的潤滑油可以優化接觸表面的螺紋擰合性。最有效的潤滑效果是使用石墨銅潤滑油。

在無潤滑擰緊時,鈦與鈦之間的摩擦系數會降低,然后逐漸增大直至卡緊。此時摩擦系數明顯高于卡緊鍍鎘鋼時的,初次安裝時摩擦系數為0.1-0.15,再次安裝時減低到0.08-0.12,在第30次安裝時又增大到0.25-0.3。使用YCCA潤滑油安裝鈦連接件時的摩擦系數與安裝鍍鎘鋼連接件時的相近。此時摩擦系數降低,到第30次安裝時其數值為0.15-0.22。
使用石墨銅潤滑油時,主要會減少螺紋及其端面上的摩擦系數。初次安裝時摩擦系數為0.12-0.16。隨后擰緊時摩擦系數會逐漸減小,接近于0.04-0.06,基本上不隨安裝次數的增加而發生變化。在同一擰緊旋轉力矩下,較低的摩擦系數獲得的軸向負荷都高于無潤滑擰緊螺紋緊固件的負荷。摩擦系數的變化是由于在初次擰緊螺紋連接件時,去除了螺紋表面的微觀不平度和對螺桿和螺母的工作表面進行打磨。此時緊切表面的顯微凹處填滿了大量的層狀潤滑油。在這種情況下表面清潔度超過2級。以潤滑油為基體的鈦螺紋表面的接觸摩擦條件接近“無摩擦”。使用該種復合潤滑油能降低摩擦系數,提高軸向力,能保證螺桿螺紋工作截面強度所允許的應力。
結論
1.鈦合金法蘭連接件不允許使用礦物性工業潤滑油,因為在擰緊時發生卡緊現象,形成不超過150MPa的軸向力,這是無效的,因為基本上都小于螺紋截面上的斷裂應力。
2.使用石墨銅潤滑油可以降低摩擦系數到0.03-0.05,同時提高所允許的接觸應力到294-343MPa,能明顯改善螺紋緊固連接件的擰合性。
3.使用石墨銅潤滑油能保證提高極限強度為800-900 MPa的鈦合金法蘭連接件所允許的卡緊應力和接觸密度。因此高強鈦合金由于較高的工作性能而被用于高負荷結構件中。