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航空紧固件设计手册

   2018-04-09 婷婷910
核心提示:当两种不同材料接触并且在电解液环境中(例如潮湿有水分的环境)就必然发生电化学腐蚀。形成了原电池,从而两种材料中最活跃的(正极)被腐蚀,沉积在不活跃的负极。注意,在下表中,两种材料的距离越远,他们两者之间产生的电化学越强。
腐蚀
电化学腐蚀
当两种不同材料接触并且在电解液环境中(例如潮湿有水分的环境)就必然发生电化学腐蚀。形成了原电池,从而两种材料中最活跃的(正极)被腐蚀,沉积在不活跃的负极。注意,在下表中,两种材料的距离越远,他们两者之间产生的电化学越强。
按照参考文献2, 一些常用的工程材料电化学排位如下:
(1) 镁(最活泼)
(2) 镁合金
(3) 锌
(4) 铝合金5056
(5) 铝合金5052
(6) 铝合金1100
(7) 镉
(8) 铝合金2024
(9) 铝合金7075
(10) 低碳钢
(11) 铸铁
(12) 耐蚀镍合金
(13) 410型不锈钢(活泼)
(14) 304型不锈钢(活泼)
(15) 316型不锈钢(活泼)
(16) 铅
(17) 锡
(18) 蒙氏铜锌合金
(19) 镍(活泼)
(20) 铬镍铁合金(活泼)
(21) 黄铜
(22) 船用黄铜
(23) 铝黄铜合金
(24) 红黄铜
(25) 铜
(26) 硅青铜
(27) 70-30铜镍合金
(28) 镍(钝化)
(29) 铬镍铁合金(钝化)
(30) 钛
(31) 蒙乃尔铜镍合金
(32) 304型不锈钢(钝化)
(33) 316型不锈钢(钝化)
(34) 银
(35) 石墨
(36) 金(最不活泼)
注意这里描述的活泼和钝化304,、316不锈钢。 钝化的做了钝化处理(空气炉氧化或者表面酸洗形成氧化物)。氧化物呈现出很强的惰性组织了电化学的活跃。
因为原电池的正极被腐蚀了,所以正极必须是原电池结构中重量最大的那个。因此,在不锈钢或者铜的零部件上使用碳钢紧固件是不好的设计案例。不锈钢紧固件可以使用到碳钢装配体中,因为作为正极的碳钢质量比较大。
镁因为其较高的强度/重量比,被广泛地运用到轻量化设计之中。尽管如此,镁材料必须借助于惰性涂层与紧固件完全隔绝,例如锌铬酸盐底漆 ,预防极限情况下的电化学腐蚀。镀镉和镀锌紧固件在电位序上与镁比较接近,因此当隔绝涂层被损坏时,相互之间能够共存。
应力腐蚀
应力腐蚀发生在处于拉应力状态的零部件处于腐蚀环境中。一个本来延展性比较好的零部件在应力远低于屈服强度的状态下失效,因为腐蚀环境导致的表面缺陷(通常是凹点和裂缝)。总体而言,材料的热处理温度越高(延展性越低),越容易发生应力腐蚀开裂。
紧固件材料制造商被迫去研发相对而言对应力腐蚀敏感度低一些的合金材料。 在不锈钢中,A286是最合适用于航天用途的紧固件材料。这种材料不易发生应力腐蚀问题,但是强度只能达到160ksi(特殊的订单可以生产220ksi强度的A286紧固件)。更高强度的不锈钢紧固件(180-220ksi)通常采用的材料是17-7PH或者17-4PH, 但是这些易发生应力腐蚀问题。 如果时间和成本没有限制,由超级合金例如铬镍铁合金718或者MP35N制造的紧固件也是可行的。
另外一个方案是使用高强度碳钢(例如H-11工具钢的抗拉强度300ksi)外附加防腐保护涂层。尽管如此,尽量使用常规的种类和强度级别的紧固件,而不是使用一些特殊的高强度紧固件。 高强度紧固件(屈服强度高于180ksi)存在以下问题:脆性,关键性缺陷,头部锻造困难,螺纹冷挤压成型苦难,而且需要更加严格的质量控制程序。高强度紧固件的质量控制通常采用X射线探伤,染色探伤,磁粉探伤,螺纹半径和头部半径检查。
氢脆
当有自由的氢气与金属紧密结合时会发生氢脆问题。因为大部分的电镀工艺使用的是电解溶液池的类型,会出现自由的氢气。有三种类型的氢脆问题:
(1) 氢气化学反应:氢气与铁中的碳结合形成甲烷气体,会导致裂纹扩展和强度降低。氢气也会与其他合金元素反应,例如钛、铌或者钽形成氢化物。因为氢化物的强度比母体合金低,所以会降低零部件的整体强度。
(2) 内部氢脆:氢气溶解在内部变形区域(位于纹理内的曲线之间),在时候后引起延迟失效。氢气的存在是外部表象的。
(3) 氢气环境脆裂:这种问题只发生在高压氢气环境中,例如氢气储存罐。除非紧固件在这样的压力容器内承受载荷,其他时候,这种情况不会出现。
许多电镀工艺参数中都有明确的描述要去电镀的碳钢紧固件要求,电镀两个小时内立刻放置到375+/-25°F的环境中烘烤23小时(按照MIL-N-25027D). 过去的要求是电镀四个小时内立刻放置到375+/-25°F的环境中只烘烤3个小时。这种处理方法后来发现是不够的。需要电镀工艺参数在1981-1982年之间被修改,体现更长的烘烤时间。当紧固件强度增加时氢脆问题也会增加。
镀镉氢脆
虽然材料氢脆失效有详细的记载(参考文献3),关于镉脆的问题却没有。 一般而言,镀隔零部件发生氢脆问题最低问题在325°F, 但是镉脆问题在大约400°F才发生。因为镀镉零部件温度升高时会同时出现两种元素.这两种共同作用下的影响是灾难性的。尽管如此,单一影响是不确定的。
锁紧方法
基体螺纹孔
基体自带螺丝孔的锁紧技术通常在紧固件上。图1所示的Spiralock7攻丝技术是一个典型的例外。Spiralock的螺纹形状在螺纹根部有一个30°的楔形斜面。在夹紧力载荷下,外螺纹的牙顶紧紧地锲入斜面上。这就使得侧向移动几乎不会发生,而侧向移动是振动下松动的主因。航空公司开展了一些独立的测试工作,结果表明这种类型的螺纹满足一定的耐振动性能。螺栓的螺纹是标准的,因为内螺纹负责锁紧。
锁紧螺母
根据基本螺母和螺栓配对的基本原理,有各种各样的锁紧方法。本文只描述一些较为常见的锁紧螺母。
Split beam 锁紧螺母(图2)这种锁紧螺母在顶部开槽,在开槽区域的螺纹尺寸偏小。在螺栓螺纹接触到开槽区域之前,螺母是可以自由旋转的。继续转动螺栓或者螺母,螺栓推动螺母的开槽区域向外部倾斜。产生的摩擦载荷将配对的螺纹绑定在一起。
螺纹变形式锁紧—螺纹变形的锁紧螺母(图3)是常见的锁紧螺母,特别是在航天工业。它的优势如下:
1) 螺母可以一次成型。
2) 工作温度翻译只受母材,涂层的限制。
3) 螺母在失去锁紧功能之前,能够重复使用大概10次。
耐落pellet – 耐落pellet8(尼龙)镶嵌在螺母螺纹上,如图4所示。当配对的螺纹咬合,压力会产生反作用力产生锁紧性的接触。这种锁紧方式的最大缺点就是工作温度不能超过250°F。重复装配时尼龙胶囊会被迅速的破坏。

锁环和密封环-在螺母的顶部安装一个纤维或者尼龙垫圈。如图5所示。锁环是过盈配合,因此锁紧在螺栓螺纹上。同时能够提供一些气体和水分的密封效果。工作温度受锁环的限制而不能超过250°F。
有些时候,可以采用一些低成本方案来替代锁环和尼龙胶囊。比如在螺母或者螺栓上预涂尼龙胶,同样可以获得锁紧效果。这种方法也被用来解决一些特殊案例,比如当螺纹长度较短时,如果锁紧胶囊(Nylok pellet)会导致基体自带的螺纹内产生严重的应力集中问题。
槽形螺母.
槽形螺母通常有六个开槽(如图6所示). 螺栓螺纹末端开贯穿孔。螺母紧固到规定的扭矩值。然后拧紧或者拧松(根据使用者的喜好)到最近的与螺栓孔对准的槽口。然后装入开口销来锁紧螺母,如图6(b)所示。这种螺母在低扭矩场合特别好用。例如保持车轮轴承到位。
双螺母
两个螺母通常一起装配如图7所示,尽管专家也不能确定哪个螺母装配在下面。尽管如此,这种类型的装配太难预测可靠性。如果下面(内部)的螺母比上面(螺母)的扭矩大,下面的螺母会比外面先屈服,而上面的螺母还没拧紧到最大破坏扭矩。反而言之,如果上面的螺母比下面的螺母扭矩大,下面的螺母将会自动卸载。上面的螺母会比下面先屈服,而下面螺母还没拧紧到最大破坏扭矩。分配两个螺母的扭矩是很困难的。使用锁紧螺母比使用双螺母更加贴合实际。尽管如此,双螺母可以使用在不承受任何拉伸载荷的螺纹接头上。
锯齿状端面螺母(螺栓)。
这种螺母的锯齿形表面(如图8所示),在最终装配时嵌入到支撑表面。这就说明,不能与垫圈搭配使用。而且支撑表面擦伤和腐蚀是一个问题点。
根据SPS Technologies的描述,他们生产的端面锯齿形螺栓(Durlock 180)需要110%的装配扭矩进行拆卸。他们的试验结果表明这种优秀的抗振动性能。PS: 因为端面摩擦力矩增大,实际有效紧固预紧力降低.
穿线式锁紧技术。尽管这种技术一种比较费劲的防止螺栓或者螺母转动的方法,在一些关键性部位仍然被广泛采用,特别是在航天领域。螺母的角上开孔,螺栓头部开通孔或者在螺栓角开孔。典型的穿线式螺栓锁紧装配见图9(a),典型的穿线式螺母锁紧装配见图9(b)。
直接干涉式配对螺纹在螺纹小径处有轻微的过盈配合。通常只运用在双头螺柱短暂性使用,而不运用到螺栓和螺母上,因为过盈配合会破坏螺纹。
圆锥形螺纹
这是直接干涉式螺纹的一个变种,不同点在于,只有最后三个和四个螺纹的小径存在过盈配合。
螺母板通常当做盖螺母使用。螺母是固定的或者浮动的。而且螺母可以采用常规螺母使用的所有锁紧和密封特征。通常使用在零部件材料太薄而不能攻螺纹的地方。因为装配成本太高,主要在航天公司有运用。每个螺母板的装配至少需要钻三个孔和两个铆钉。
锁紧胶
许多制造商提供用于锁紧螺纹的锁紧胶或者环氧树脂。大多数制造商将锁紧胶分为不同的等级,根据拆卸装配的频匹配选择合适的紧固胶。例如,乐泰242适用于可拆卸的紧固件,乐泰2719适用于防止无操作的紧固件(紧固后不允许转动紧固件)。其他供应商例如波士胶、NDIndustries、耐落、3M和 Permaloc生产相似的产品。
大部分的锁紧胶只有两种工作方式。单层结构混合物成为薄层,暴露在空气中之后硬化;或者两层的环氧树脂当配对螺纹咬合时被相互挤压而硬化。注意,制造商通常将两层结构的锁紧胶带形或者环形地涂覆到紧固件上。涂胶有保存时间的限制。而且不能被损坏和混淆。这些锁紧胶也可以作为有效的螺纹密封剂。尽管如此,所有的锁紧胶都不能承受高温环境。最好的可以在450°F下工作,而最差的工作温度不能高于200°F。
 
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