高强度螺栓连接主要应用于航空、航天、道路桥梁工程和钢结构安装工程等重要场合。为了加强工程质量管理,GB/T 50205 -2001[ 1] 对高强螺栓连接摩擦面的抗滑移系数和螺栓连接副的扭矩系数规定了严格的验收规范, 并且GB/T 1231 -2006 也对高强螺栓的技术参数及复检数量和结果做了规定。笔者在工作过程中长期接触达克罗高强螺栓的复检工作, 由于国内没有对应达克罗高强螺栓的验收规范,一直都参照GB/ T 1231 -2006 , 但其检测结果并不令人满意。因此笔者对影响达克罗螺栓连接件扭矩系数的各种因素进行分析, 通过试验研究其影响规律, 从而提出控制产品质量的方法。

1  达克罗简述

    达克罗(Dacro tized)又称锌铬膜涂层, 是国内正处在起步阶段的清洁生产工艺和一种高新技术, 被誉为国际表面处理行业具有划时代意义的新工艺。此工艺可以取代钢铁电镀锌、镉、锌基合金、热浸镀锌、热喷锌和机械镀锌。达克罗作为一种新型的表面处理方法, 具有以下优点:

(1)超强的耐蚀性能:达克罗膜层的厚度仅为4～ 8 μm , 但其防锈效果却是传统电镀锌、热镀锌或涂料涂覆法的7 ～ 10 倍以上。采用达克罗工艺处理的标准件和管接件经耐盐雾试验1 200 h 以上未出现红锈。

(2)无氢脆性:达克罗的处理工艺使其没有氢脆现象, 所以非常适合受力件的涂覆。

(3)高耐热性:达克罗可以耐高温腐蚀, 耐热温度可达300 ℃以上。而传统的镀锌工艺在温度达到100 ℃时就会起皮从而使产品报废。

(4)良好的结合力及再涂性能:达克罗涂层与金属基体有良好的结合力, 而且与其他附加涂层有强烈的粘着性, 处理后的零件易于喷涂着色, 与有机涂层的结合力甚至超过了磷化膜。

(5)良好的渗透性:由于静电屏蔽效应, 工件的深孔、狭缝以及管件的内壁等部位难以电镀上锌, 因此工件的上述部位无法采用电镀的方法进行保护。达克罗则可以进入工件的这些部位形成涂层。

(6)无污染和公害:达克罗在生产加工及工件涂覆的整个过程中, 不会产生对环境有污染的废水和废气, 不用进行“三废”治理, 降低了处理成本。

同时, 它也有其局限性, 具体表现在:

(1)达克罗中含有对环境和人体有害的铬离子, 尤其是六价铬离子具有致癌作用。

(2)达克罗的烧结温度较高、时间较长, 能耗大。

(3)达克罗的表面硬度不高、耐磨性不好, 而且达克罗涂层的产品不适合与铜、镁、镍和不锈钢的零部件接触与连接, 因为它们会产生接触性腐蚀, 影响产品的表面质量及防腐性能。

(4)达克罗涂层的表面颜色单一, 只有银白色和银灰色, 不适合个性化发展的需要。

(5)达克罗涂层的导电性能不佳, 因此不宜用于导电连接的零件, 如电器的接地螺栓等。基于以上特点, 国内外的许多工程越来越多地使用达克罗处理高强螺栓, 不但增强了螺栓的耐蚀性能, 同时提高了其美化程度。

2  达克罗与其他表面处理方式下的高强螺栓扭矩系数比较

    对于相同条件下的裸螺栓在几种常见的表面处理方式下的扭矩系数见表1 , 可见数值相差较大, 说明不同表面处理方式对扭矩系数的影响很大。在未加润滑剂的情况下, 达克罗较发黑和镀锌处理能获得更为理想的扭矩系数;而与磷化和磷皂化相比, 能达到相同的处理效果。

3  影响达克罗高强螺栓扭矩系数的因素

3 .1  螺纹间配合的松紧度

    通过反复试验发现, 螺纹间配合松的螺栓扭矩系数小, 反之扭矩系数大, 即扭矩系数随螺纹配合松紧度的增大而减小。

    根据文献[ 2 -3] 对螺栓连接副的力学分析可知, 螺栓连接副的扭矩T 为:

式(3)反映了扭矩系数与螺栓连接副的各种结构参数、螺纹要素及结合表面质量的关系。λ越大, 其螺母与螺栓之间的配合越紧密, 扭矩系数相应越大;反之则扭矩系数越小, 配合越松;f 越大, 螺母与垫片之间的摩擦越大, 扭矩系数也越大。但该公式在推导的过程中, 将内外螺纹间的摩擦系数和螺母与支

撑(或垫片)结合面的摩擦系数视为相等, 忽视了螺栓头与支撑面间的摩擦问题, 没有考虑螺纹的配合精度及摩擦系数的变化规律等问题。另外, 该公式过于复杂, 且有些影响参数不便于实际检测, 因此在工程测试中不实用, 一般只适合在近似估算中使用。

3 .2  表面润滑

    同一种表面处理方式下, 进行润滑与不进行润滑处理后的扭矩系数差别也很大。以M16 mm ×55 mm螺栓为例, 如用达克罗涂覆镀层, 在润滑后扭矩系数一般均可控制在0 .11 ～ 0 .15 , 具体试验结果见表2 , 而且可根据要求进行不同的封闭润滑, 将扭矩系数控制在客户要求的比较小的范围内;但不进行润滑的达克罗镀层, 经过反复试验, 一般其扭矩系数在0 .15 ～ 0 .20 , 具体试验结果见表3 。

经过对近千余套达克罗高强螺栓进行试验发现,加入润滑剂后能有效降低其扭矩系数。在安装过程中也可以在螺栓与垫片的接触面上涂少许润滑油。

3 .3  试验方法

    试验时扭矩扳手应均匀加力, 这样得到的扭矩系数比较准确。当逐次增加扭矩, 每次提高一个档位时, 在抵抗静摩擦时所增加的扭矩已消耗殆尽, 这

样反映出的扭矩系数是0 或较正常值略微上调, 数据严重失真。造成这种偏差的原因是静摩擦与动摩擦存在差别。钢铁的静摩擦系数(润滑条件下)为

0 .1 ～ 0 .12 , 而动摩擦系数为0 .05 ～ 0 .1(指平行移动, 在旋转施力时摩擦系数变化更大)。

4  测定扭矩系数时的注意事项

    在测定扭矩系数时需注意以下问题:

(1)批号:每批高强螺栓连接副的生产批号、材料批号以及表面处理批号要一致, 三个批号一致时扭矩系数的离散度较小。

(2)设备及调试:轴力机和扭矩扳手等测试设备要求选用精度高的产品;扭矩扳手在测试前必须经过校验;轴力机要在检定有效期内使用。

(3)测试方法:在测试时加载必须连续、均匀地增加载荷, 同时在测试中垫圈不能发生转动。

(4)扭矩系数及扭矩推荐值:这是生产单位的试验数据, 仅作参考。而正式安装时由于环境和气候等条件变化, 推荐值会有所变化, 因此实际安装时应以实际测定值为准。

5  结语

    现今国内都是参照GB/ T 1231 -2006 对高强螺栓的扭矩系数进行检验的, 但对于经过表面处理的达克罗高强螺栓还未有对应的标准, 另外国内关于达克罗的处理工艺尚不成熟, 因此在生产和检验的过程中必须考虑到螺纹间配合的松紧度、表面润滑以及检验方法等因素的影响, 同时还需注意螺栓连接副的批号、设备及其调试等问题, 才能更好地保证达克罗高强螺栓的扭矩系数满足客户的要求。以上分析还不够全面和深入, 不能保证每批达克罗高强螺栓扭矩的标准偏差都在0 .010 之内, 还需在后续的工作中进行深入研究。