高強度螺栓連接主要應用于航空、航天、道路橋梁工程和鋼結構安裝工程等重要場合。為了加強工程質量管理,GB/T 50205 -2001[ 1] 對高強螺栓連接摩擦面的抗滑移系數和螺栓連接副的扭矩系數規定了嚴格的驗收規范, 并且GB/T 1231 -2006 也對高強螺栓的技術參數及復檢數量和結果做了規定。筆者在工作過程中長期接觸達克羅高強螺栓的復檢工作, 由于國內沒有對應達克羅高強螺栓的驗收規范,一直都參照GB/ T 1231 -2006 , 但其檢測結果并不令人滿意。因此筆者對影響達克羅螺栓連接件扭矩系數的各種因素進行分析, 通過試驗研究其影響規律, 從而提出控制產品質量的方法。

1  達克羅簡述

    達克羅(Dacro tized)又稱鋅鉻膜涂層, 是國內正處在起步階段的清潔生產工藝和一種高新技術, 被譽為國際表面處理行業具有劃時代意義的新工藝。此工藝可以取代鋼鐵電鍍鋅、鎘、鋅基合金、熱浸鍍鋅、熱噴鋅和機械鍍鋅。達克羅作為一種新型的表面處理方法, 具有以下優點:

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

(2)無氫脆性:達克羅的處理工藝使其沒有氫脆現象, 所以非常適合受力件的涂覆。

(3)高耐熱性:達克羅可以耐高溫腐蝕, 耐熱溫度可達300 ℃以上。而傳統的鍍鋅工藝在溫度達到100 ℃時就會起皮從而使產品報廢。

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

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

(6)無污染和公害:達克羅在生產加工及工件涂覆的整個過程中, 不會產生對環境有污染的廢水和廢氣, 不用進行“三廢”治理, 降低了處理成本。

同時, 它也有其局限性, 具體表現在:

(1)達克羅中含有對環境和人體有害的鉻離子, 尤其是六價鉻離子具有致癌作用。

(2)達克羅的燒結溫度較高、時間較長, 能耗大。

(3)達克羅的表面硬度不高、耐磨性不好, 而且達克羅涂層的產品不適合與銅、鎂、鎳和不銹鋼的零部件接觸與連接, 因為它們會產生接觸性腐蝕, 影響產品的表面質量及防腐性能。

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

(5)達克羅涂層的導電性能不佳, 因此不宜用于導電連接的零件, 如電器的接地螺栓等�；�于以上特點, 國內外的許多工程越來越多地使用達克羅處理高強螺栓, 不但增強了螺栓的耐蝕性能, 同時提高了其美化程度。

2  達克羅與其他表面處理方式下的高強螺栓扭矩系數比較

    對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見表1 , 可見數值相差較大, 說明不同表面處理方式對扭矩系數的影響很大。在未加潤滑劑的情況下, 達克羅較發黑和鍍鋅處理能獲得更為理想的扭矩系數;而與磷化和磷皂化相比, 能達到相同的處理效果。

3  影響達克羅高強螺栓扭矩系數的因素

3 .1  螺紋間配合的松緊度

    通過反復試驗發現, 螺紋間配合松的螺栓扭矩系數小, 反之扭矩系數大, 即扭矩系數隨螺紋配合松緊度的增大而減小。

    根據文獻[ 2 -3] 對螺栓連接副的力學分析可知, 螺栓連接副的扭矩T 為:

式(3)反映了扭矩系數與螺栓連接副的各種結構參數、螺紋要素及結合表面質量的關系。λ越大, 其螺母與螺栓之間的配合越緊密, 扭矩系數相應越大;反之則扭矩系數越小, 配合越松;f 越大, 螺母與墊片之間的摩擦越大, 扭矩系數也越大。但該公式在推導的過程中, 將內外螺紋間的摩擦系數和螺母與支

撐(或墊片)結合面的摩擦系數視為相等, 忽視了螺栓頭與支撐面間的摩擦問題, 沒有考慮螺紋的配合精度及摩擦系數的變化規律等問題。另外, 該公式過于復雜, 且有些影響參數不便于實際檢測, 因此在工程測試中不實用, 一般只適合在近似估算中使用。

3 .2  表面潤滑

    同一種表面處理方式下, 進行潤滑與不進行潤滑處理后的扭矩系數差別也很大。以M16 mm ×55 mm螺栓為例, 如用達克羅涂覆鍍層, 在潤滑后扭矩系數一般均可控制在0 .11 ～ 0 .15 , 具體試驗結果見表2 , 而且可根據要求進行不同的封閉潤滑, 將扭矩系數控制在客戶要求的比較小的范圍內;但不進行潤滑的達克羅鍍層, 經過反復試驗, 一般其扭矩系數在0 .15 ～ 0 .20 , 具體試驗結果見表3 。

經過對近千余套達克羅高強螺栓進行試驗發現,加入潤滑劑后能有效降低其扭矩系數。在安裝過程中也可以在螺栓與墊片的接觸面上涂少許潤滑油。

3 .3  試驗方法

    試驗時扭矩扳手應均勻加力, 這樣得到的扭矩系數比較準確。當逐次增加扭矩, 每次提高一個檔位時, 在抵抗靜摩擦時所增加的扭矩已消耗殆盡, 這

樣反映出的扭矩系數是0 或較正常值略微上調, 數據嚴重失真。造成這種偏差的原因是靜摩擦與動摩擦存在差別。鋼鐵的靜摩擦系數(潤滑條件下)為

0 .1 ～ 0 .12 , 而動摩擦系數為0 .05 ～ 0 .1(指平行移動, 在旋轉施力時摩擦系數變化更大)。

4  測定扭矩系數時的注意事項

    在測定扭矩系數時需注意以下問題:

(1)批號:每批高強螺栓連接副的生產批號、材料批號以及表面處理批號要一致, 三個批號一致時扭矩系數的離散度較小。

(2)設備及調試:軸力機和扭矩扳手等測試設備要求選用精度高的產品;扭矩扳手在測試前必須經過校驗;軸力機要在檢定有效期內使用。

(3)測試方法:在測試時加載必須連續、均勻地增加載荷, 同時在測試中墊圈不能發生轉動。

(4)扭矩系數及扭矩推薦值:這是生產單位的試驗數據, 僅作參考。而正式安裝時由于環境和氣候等條件變化, 推薦值會有所變化, 因此實際安裝時應以實際測定值為準。

5  結語

    現今國內都是參照GB/ T 1231 -2006 對高強螺栓的扭矩系數進行檢驗的, 但對于經過表面處理的達克羅高強螺栓還未有對應的標準, 另外國內關于達克羅的處理工藝尚不成熟, 因此在生產和檢驗的過程中必須考慮到螺紋間配合的松緊度、表面潤滑以及檢驗方法等因素的影響, 同時還需注意螺栓連接副的批號、設備及其調試等問題, 才能更好地保證達克羅高強螺栓的扭矩系數滿足客戶的要求。以上分析還不夠全面和深入, 不能保證每批達克羅高強螺栓扭矩的標準偏差都在0 .010 之內, 還需在后續的工作中進行深入研究。