有很多的应用场合要求紧固件不能出现生锈,除了使用表面处理的方法实现防锈外,不锈钢紧固件也是一个很好的选择。
但是有不少都遇到过不锈钢螺栓和螺母在拧紧的过程中出现锁死(也称为“咬死”、“粘连”、“冷焊”等)现象。这是怎么回事呢?
我们知道不锈钢之所以不锈,是因为其表面有一层氧化铬。而在螺栓锁紧时,螺纹啮合产生的高压(可达数百MPa)和摩擦热(局部温度可升至300°C以上)会破坏此氧化膜,暴露出底部高活性的“原始”金属表面。
没有了保护性氧化层后,裸露的金属表面间直接接触,不锈钢不仅摩擦系数较高,导热系数也很低(通常为碳钢的1/3),这会导致热量易产生但却无法快速散失。
螺牙在高温下软化,随着拧紧的过程而发生剪切和粘连,形成冷焊现象。随着继续拧紧,螺纹的粘合区域会被撕裂,形成微小的金属颗粒。这些颗粒会堵塞螺纹路径,进而产生更大的摩擦、热量和压力,形成恶性循环,短时间内就可以导致螺母和螺栓锁死。
如果螺栓拧紧时还存在以下因素:螺纹对齐不佳(安装倾斜)、螺纹表面有异物(如焊点、金属屑)或螺牙粗糙度大、拧紧力过大或速度过快等,这都会加剧锁死发生的风险。
当出现螺牙粘连、锁死的情况下,所需的拧紧扭矩值增加,这时再用给定的拧紧力矩值拧紧就无法产生有效的预紧力。这种问题在拧紧操作期间不易识别到,从外部却又看不出来。在锁死发生之后,螺栓/螺母虽不会出现旋转松动问题,但是连接处由于缺乏适当预紧力作用,受载时可能出现疲劳失效。
那如何避免不锈钢螺纹的锁死现象发生呢?
先就是要清洁并检查螺纹,确保螺栓和螺母螺纹清洁,无污垢、金属颗粒和其他碎屑。粗糙或损坏的螺纹会增加摩擦力,增加咬合风险。
其次,可以对螺纹进行润滑。比如涂抹蜡基、镍基或聚四氟乙烯基防卡润滑剂。这可以减少摩擦,是防止咬合最有效的方法之一。有些厂家推荐的防卡润滑剂中也包含铜基、石墨等润滑剂,但使用时需特别注意。比如有些环境中使用铜基防卡剂会导致电化学腐蚀;对于石墨的润滑剂,温度达到一定程度时碳和铬会发生反应,在晶粒边界处形成碳化铬,从而降低不锈钢的抗腐蚀能力。
拧紧过程中注意使用合适的工具并控制速度。安装时,请使用扭矩扳手或手动套筒扳手缓慢地组装不锈钢紧固件。避免使用高速电动工具,以防止螺纹接合面由于拧紧速度过快而出现发热并增加咬合风险。