Главная > Разное > Резьбовые и фланцевые соединения
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

11.4. Заедание в резьбовых соединениях. Металлические покрытия и оксидные пленки

При нормальных и высоких температурах в резьбовых соединениях часто наблюдается заедание: после некоторого времени работы гайку не удается отвернуть или она отвинчивается с большим трудом.

Заедание в соединениях начинается с самопроизвольного местного сваривания, а последующее относительное движение приводит к повреждению поверхности (задиранию).

Образование таких участков холодной сварки обусловлено проникновением частиц одного металла в другой за счет пластической деформации, причем возникающая связь может быть прочнее внутренних связей в металле при достаточных контактных давлениях в резьбе.

В обычных условиях контакта поверхностей деталей из углеродистых сталей сваривание предотвращается ввиду наличия оксидной пленки или пленки из адсорбированного на поверхности газа. Однако в ряде случаев образование участков холодной сварки в соединениях происходит, как установлено Ф. Боуденом, и несмотря на наличие пленки СМ. Микроснимки свидетельствуют о пластической деформации холодной сварки, а также о разрывах и срезании металла даже при минимальной нагрузке. В условиях высокого вакуума заедание резьбы наблюдается уже в процессе свинчивания.

Обычно повышенная склонность к заеданию обнаруживается в соединениях из коррозионно-стойких, кислотоупорных и жаропрочных сталей и сплавов, поскольку они образуют более тонкие оксидные пленки и хуже адсорбируют молекулярные пленки других веществ. В результате нагрузка, при которой появляются задиры, для коррозионно-стойких материалов в раз ниже, чем углеродистой стали.

Антифрикционные свойства сталей и сплавов и их склонность к заеданию можно оценивать по наибольшему среднему контактному давлению на виток, приводящему к заеданию (например, после нескольких завинчиваний):

где Р — шаг резьбы; проекция боковой поверхности витка на плоскость, перпендикулярную к оси болта средний диаметр резьбы; - рабочая высота резьбы); Н — высота гайки.

Если принять обычные для резьбовых соединений соотношения то

Таблица 11.6 (см. скан) Максимальные контактные давления и коэффициенты трения в резьбе

здесь наибольшее напряжение затяжки, приводящее к заеданию соединения наружный и внутренний диаметры резьбы.

В табл. 11.6 приведены результаты исследования свинчиваемости соединений из различных сталей и сплавов. Наибольшее среднее контактное давление установлено из условия обеспечения 50 завинчиваний (затяжек). Видно, что большая часть соединений обладает повышенной склонностью к заеданию даже при невысоких контактных давлениях (ртах и, как следствие, низких напряжениях затяжки . В результате механические характеристики материалов резьбовых деталей используются лишь частично. Коэффициенты трения в резьбе имеют высокие значения и подвержены большому разбросу (особенно при увеличении числа затяжек), что связано с повреждением поверхности резьбы.

Результаты ряда исследований показывают, что химический состав (особенно наличие хрома и никеля) коррозионно-стойких сталей влияет на активность СМ лишь до определенной массовой доли элементов (10 ... 15 % для хрома и никеля), при превышении которой их влияние на адгезию СМ практически не изменяется. В связи с этим коэффициенты трения для соединений из коррозионно-стойких сталей приблизительно одинаковы.

Подбором материалов резьбовых деталей можно повысить предельное контактное давление ртах и стойкость к заеданию. Так, содержащая кремний сталь имеет лучшие антифрикционные свойства (по сравнению с другими сталями), так как кремний обычно способствует улучшению этих свойств.

Наиболее эффективные средства предотвращения заедания — смазочные материалы. Они уменьшают коэффициент трения и препятствуют образованию металлического контакта между витками резьбы и точечного сваривания. Качество материала зависит от прочностных свойств граничного слоя, которые определяются в основном составом СМ и его адгезией к металлической поверхности.

Обычно антифрикционные свойства СМ оценивают по коэффициенту трения в резьбе и на торце гайки с помощью резьбовых динамометров.

Следует отметить, что СМ с малой и средней химической активностью (масло МС-70, индустриальное и др.) лишь незначительно повышают нагрузку, при которой образуются задиры.

Результаты сравнительной оценки свойств нанесенных на соединения из стали (резьба , приведены в табл. 11.7. Наименьшие коэффициенты трения и разброс их значений имеют соединения с СМ фторуглеродистой группы. Это объясняется, по-видимому, высокой прочностью смазочной пленки, предохраняющей металл от изнашивания и схватывания. Для этих СМ характерно уменьшение коэффициентов трения с увеличением числа затяжек в связи с приработкой поверхностей.

Хорошими антифрикционными свойствами обладают неорганические СМ на основе дисульфида молибдена который образует на поверхностях трения сплошные пленки, полностью их разделяющие, и препятствует образованию участков холодной сварки. Толщина слоя дисульфида молибдена составляет лишь около но его стойкость достаточно высока, и он способен выдерживать высокое контактное давление.

Дисульфид молибдена в твердом виде часто применяют в соединениях, работающих при очень низких и высоких температурах, в вакууме и в условиях радиоактивного излучения.

С увеличением числа затяжек коэффициент трения в резьбе с СМ на основе увеличивается (см. табл. 11.5), что связано с исчезновением твердой защитной пленки при изнашивании.

Среди углеводородных и кремнийорганических СМ лучшие противозадирные свойства имеют смазочные материалы с

(кликните для просмотра скана)

Таблица 11.8 (см. скан) Максимальные контактные давления и коэффициенты трения в резьбе (материал болта и гайки — сталь в зависимости от СМ


загустителями в виде соли органических высокомолекулярных кислот (например, и с добавкой дисульфида молибдена обладающие хорошей адгезией, а также СМ с графитом

Антифрикционные свойства СМ также можно оценивать по наибольшему среднему давлению на виток резьбы, приводящему к заеданию.

В табл. 11.8 даны результаты исследований [13], из которых следует, что фторуглеродные СМ типа и № 8 предохраняют резьбовое соединение от заедания до ртах (соответствует напряжению затяжки СМ неорганической, углеводородной и кремнийорганической групп не рекомендуется применять в условиях высоких напряжений затяжки. По условию заедания или ртах что ограничивает возможность эффективного использования прочностных свойств материалов.

Другое важное требование, предъявляемое к предохранение резьбового соединения от пригорания. Г. Флейшером и В. Ковалем исследовалось влияние композиций, содержащих дисульфид молибдена различной тонкости измельчения и с наполнителями разной консистенции, в том числе порошков, силиконовых а также графитсодержащих композиций и порошков, на моменты развинчивания соединений после их выдержки при в течение при

Лучшие результаты для всех температур получены при использовании порошка «грубого» измельчения (размер частиц до наибольшее количество частиц размером от 0,5 до Хорошие результаты получены и в случае применения других порошков на основе дисульфида молибдена.

Развинчивание соединений затруднялось при смазывании резьбы силиконовыми СМ и графитсодержащими композициями.

Для предотвращения заедания в резьбовых соединениях автомобилей применяют жировой в состав которого входят животного жира, камфоры, серебристого графита, алюминиевого порошка МПТК и керосина. Такой СМ обладает высокими антифрикционными свойствами, прост в изготовлении и нанесении, удобен при использовании в полевых условиях [13].

Меловой СМ предохраняет от заедания соединения при наибольшей рабочей температуре до 600 °С. В его состав входят мелкодисперсный порошок мела, смешанный до кашицеобразного состояния с маслом или трансформаторным маслом.

Температура является наибольшей допускаемой и для смазочного материала ЖС [4], представляющего собой сметанообразную смесь карбоната свинца и цилиндрового масла № 52 (ГОСТ 6411—76). Результаты длительных испытаний при температурах 600 и 900 °С, металлографических исследований и опыт эксплуатации показали, что обеспечивает качественную сборку и разборку резьбовых соединений при высоких температурах. Диффузия свинца в материал болта отсутствует.

Наряду с указанными СМ в машиностроении применяют графитовые пасты. Однако при смазывании резьбовых соединений, работающих в условиях высоких температур, предпочтение отдается дисульфиду молибдена и меловому СМ.

Опасность заедания уменьшается при правильном подборе материалов болта и гайки. С этой целью при температурах до 500 °С и незначительных осевых нагрузках применяют гайки из латуни, бронзы и перлитного чугуна, в более нагруженных резьбовых соединениях — из жаропрочных материалов. При этом материал гайки должен иметь больший коэффициент линейного расширения, чем материал болта.

Одно из средств борьбы с заеданием — применение для пары болт — гайка материалов различной твердости, чего можно достичь накатыванием резьбы, а также азотированием, катодным хромированием или химическим никелированием.

Для уменьшения заедания следует применять резьбы с увеличенным зазором по среднему диаметру и более крупным шагом.

Правильный выбор покрытий — важное средство защиты от заеданий соединений, работающих в высоком вакууме.

Эффективным средством предотвращения заедания является также нанесение различных покрытий и оксидных пленок. Покрытия должны быть более мягкими, чем материал резьбовой детали, и деформироваться без разрушения пленки. Для защиты от коррозии, уменьшения коэффициентов трения и их стабилизации применяют ряд стандартных покрытий (цинковое с

(кликните для просмотра скана)

Таблица 11.10 (см. скан) Коэффициенты трения в резьбе в зависимости от покрытия


хроматированием, кадмиевое с хроматированием, фосфатное, оловянное, медное и др.).

Данные табл. 11.9 иллюстрируют влияние наиболее распространенных покрытий на свинчиваемость соединений. Антифрикционные свойства покрытий существенно зависят от свойств основного материала. Повторные затяжки разрушают покрытия, обнажая основные материалы. В связи с этим максимальные контактные давления, вызывающие заедание, оказываются существенно разными для одинаковых покрытий болтов из различных материалов.

При увеличении толщины покрытий свыше 11 мкм вдвое коэффициенты трения в резьбе возрастают до для хромового покрытия и до 0,5 для кадмиевого покрытия.

Результаты исследований [13] показали, что хорошими антифрикционными свойствами обладают мягкие покрытия серебром, кадмием, свинцом, оловом и таллием (табл. 11.10).

Выполняя роль твердого они исключают контакт между основными поверхностями трения. Сравнительно большие значения коэффициентов трения в резьбе в соединениях с цинковым и медным покрытиями резьбы обусловлены тем, что цинк может образовывать с хромом, входящим в состав материала болта, хрупкие и твердые соединения, которые подобны абразиву в контакте, а медь и ее сплавы хорошо свариваются с коррозионно-стойкими сталями.

Никелевое покрытие обладает низкими антифрикционными свойствами, и при низком контактном давлении в резьбе отмечается заедание.

Наряду с указанными покрытиями в ряде отраслей машиностроения для уменьшения коэффициентов трения и их стабилизации применяют свинцевание и нанесение цинкового покрытия с последующим пассивированием. Хорошие результаты дает также электролитическое висмутирование в растворе, содержащем трилон Б, сегнетову соль, едкий натр и др. Следует отметить, что висмутирование, цинкование, свинцевание, лужение и особенно кадмирование недопустимо для резьбовых соединений, работающих при температуре свыше 200 °С, так как в этом случае наблюдается разрушение затянутых болтов (шпилек) из-за проникновения цинка, кадмия и других элементов в металл болта (эффект Ребиндера). Для нормальной работы соединений необходимо, чтобы рабочая температура не превышала температуры плавления покрытия.

Хорошо предохраняет соединение от заедания покрытие, наносимое путем одновременного осаждения меди и цинка (латунь), меди и германия (аволюд) и др. Латунное покрытие при наличии СМ полностью устраняет заедание резьбовых соединений при рабочей температуре до 450... 500 °С. Наносят такое покрытие путем натирания резьбы латунью на токарном станке. Этот метод нанесения покрытия (толщиной до 5 мкм) можно применять только для крупных резьб [13].

Значительно уменьшает вероятность заедания наличие медного покрытия (температура плавления меди Это покрытие можно применять для резьбовых соединений, работающих при температуре не выше Для тяжелонагруженных резьбовых соединений омедняют резьбу болта и гайки с обязательным нанесением подслоя никеля толщиной до Толщина медного покрытия для болта и гайки устанавливается в этом случае до а общая толщина покрытия не превышает

Хромированные резьбовые соединения можно применять при рабочей температуре до Следует отметить, что начальная твердость поверхности хромированной резьбы исключительно высока. Однако уже при твердость покрытия существенно снижается, а при она становится равной твердости основного материала. К недостаткам хромирования можно отнести неравномерность нанесения по профилю резьбы (толщина покрытия на вершине почти в 1,5 раза больше, чем во впадине).

Для резьбовых соединений, работающих в газовом потоке при высоких температурах наряду с меднением применяют химическое никелирование. Покрытие, наносимое, как правило, равномерно по толщине, обладает хорошей коррозионной стойкостью. Термообработкой никелированных деталей можно получить различную микротвердость покрытия, которая при определенном составе ванны и температуре может достигать больших значений. При нагревании деталей в рабочих условиях твердость покрытия снижается,

однако и в этом случае покрытие обладает высокой износостойкостью.

Присутствие фосфора (до 15 %) в материале резьбовых деталей с покрытием, полученным химическим никелированием, существенно снижает коэффициент трения в резьбе.

В отличие от химического никелирования, катодным никелированием получают покрытие средней твердости, которое защищает соединения от газовой коррозии при температуре до Однако катодное никелирование характеризуется крайне неравномерным нанесением покрытия. Хотя стоимость химического никелирования почти в 3 раза выше стоимости катодного, его целесообразно применять для резьбовых соединений, работающих в коррозионной среде и при высокой температуре, а также взамен многослойных покрытий (никель — хром, медь — никель — хром и др.) [13].

Хорошо предохраняет резьбу от заедания мягкое серебряное покрытие но высокая стоимость ограничивает область его применения.

Для устранения заедания резьбового соединения достаточно нанести покрытие на резьбу одной из деталей пары (как правило, гайки). При обработке под покрытие внутренней резьбы средний диаметр метчиков увеличивают на Защитное покрытие гайки предохраняет ее от прилипания к подкладным стопорящим замкам из коррозионно-стойкой стали.

Высокое качество поверхности уменьшает контактное давление и снижает возможность заедания. Однако следует учитывать, что слишком гладкая поверхность обладает низкой адгезией к поверхностным пленкам и плохо удерживает смазочный материал.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление