真空技术书籍,第二版

3.3.2.7 螺丝钉

在金属密封连接中,螺丝钉的重要性不能低估。螺丝钉在破 裂前也有应用限制。未正确安装的螺丝钉存在潜在的泄漏风 险源,尤其是循环热应力。

安装螺丝钉时,有两个重要的机械性因素必须考虑:抗拉强 度 Rm , 其描述向上的张应力应力,该应力导致螺丝钉破 裂;屈服点 Rp 0.2, 其指示,从应力向上,张力首次保持不变 或变小,尽管螺丝钉伸长率增加。这表示弹性和塑性范围之 间的过渡。螺丝钉不应受到高于 0.2 % 屈服点 Rp 0.2 应力的 影响。因此,螺丝钉拧紧力矩的参考值应将 90% 利用 0.2% 屈服点的值考虑在内。

刚螺丝钉在室温下的抗拉强度和屈服强度可在规格中其强度等级下找到,即两位数组合。第一位数 1/100 [N/mm2] 表示 抗拉强度。两个数相乘得出屈服点为 1/10 [N/mm2]。示例: 强度等级 8.8, Rm = 8 · 100 N/mm2 = 800 N/mm2, Rp 0.2 = 8 · 8 · 10 N/mm2 = 640 N/mm2.

不锈钢螺丝钉的命名指示了材料质量和抗拉强度。它们 是:A 表示奥氏体,1 至 5 表示合金类型和强度等级:-70 表 示应变硬化或 -80 表示高强度。强度等级等于 1/10 N/mm2 的抗拉强度。示例: 规格 A2-70,A2 等于奥氏体,合金类型 2,70 等于 Rm = 70 · 10 N/mm2 = 700 N/mm2.

所用螺母应至少具有与螺丝钉相同的强度。对于钢螺母,一 个数字表示,测试张力等于 1/100 [N/mm2] 。示例:数字 8 等于 Rm = 800 N/mm2。对于不锈钢螺丝钉,必须使用具有相 同或更高材料质量和性能等级的螺母。警告:高度小于螺丝 钉直径 0.8 倍(扁平设计)的螺母具有有限的承重能力。

螺丝钉类型 0.2 % 屈服点
Rp 0.2 [N/mm2]
抗拉强度
Rm [N/mm2]
材料
不锈钢, A2-70 450 700 不锈钢, 1.4301, 1.4303, 1.4307
不锈钢, A4-80 600 800 不锈钢, 1.4401
钢,强度等级 8.8 640 800 碳钢,淬火和 回火

图 3.6: 室温下螺丝钉的材料和机械特性

为确定拧紧力矩和预应力,有必要了解螺丝钉连接的摩擦系 数 µtotal。由于各种不同的表面和润滑条件,不可能提供可靠 的值。散射面太大。所以只能提供摩擦系数的散射范围。要 确定正确的扭矩,建议测试在操作条件下进行。

通过使用润滑剂可以减少摩擦系数,但是,散射范围仍然很 大。应注意,较小的摩擦系数产生较低的最大扭矩。因此: 使用润滑剂 摩擦系数 µtotal 下降 需要或可能施加较小 扭矩。

对于不锈钢螺丝钉,螺纹中和支撑面上的摩擦值比回火钢螺 丝大得多。摩擦值的散射范围也更大(高达 100% 以上)。 由于边缘压力高,它们也往往会被卡住。在这种情况下,可 以使用润滑剂来协助。或者,可以使用镀银的螺丝钉或螺 母。

螺丝钉 螺母 µtotal
无润滑
µtotal
有 MoS2
µtotal
脂润滑
A2 或 A4 A2 或 A4 0.23 – 0.50 0.10 – 0.20
钢,电解 镀锌 钢,电解 镀锌 0.12 – 0.20 0.10 – 0.18

图 3.7: 不锈钢和镀锌钢螺丝钉的摩擦系数

螺丝钉在高温下的性能

在高温下使用螺丝钉时,必须注意,抗拉强度和屈服点会降 低。此外,蠕动应变或耐热性必须作为评估机械强度的基础 予以考虑。因此,屈服强度仅作为指导信息。对于关键或安 全相关的应用,必须考虑其他机械参数及所有影响因素。

螺丝钉类型 0.2% 屈服点 Rp 0.2 [N/mm2]在以下温度下
20 °C 100 °C 200 °C 300 °C 400 °C
不锈钢, A2-70 450 380 360 335 315
不锈钢, A4-80 600 510 480 450 420
钢,强度等级 8.8 640 590 540 480 -

图 3.8: 直径 ≤ M24 的不锈钢和钢螺丝钉对 0.2% 屈服点的温度依赖性

如果通孔螺丝钉连接通过螺母旋转来拧紧,在螺栓中将会产 生张力,并且在板之间会产生同样大小的压缩力。结果 导致 螺丝钉被拉长,部件被压缩。通过螺丝钉的伸长,产生预应 力。部件压缩产生夹紧力,而且在连接上,无任何附加力与 预紧力大小相同。

在螺丝钉拧紧过程中,接触面之间产生摩擦。随着预紧力的 增加,螺纹与螺母的接触面之间的摩擦力矩增大。最大预紧 力代表摩擦力矩之和以及总拧紧力矩的大部分。通过润滑螺 丝钉(小的摩擦系数),摩擦率较低,因此在相同的拧紧力 矩下,螺丝钉产生较高的预应力。应注意,润滑螺丝钉最大 允许的拧紧力矩低于没有润滑的螺丝钉。

预紧力和扭矩导致螺丝钉中产生张应力和扭应力。在计算螺 丝钉负载时,必须同时考虑这两种影响。该计算的一种替代 方法是表格,如 VDI 准则 2230 中所示。如果 90% 利用 0.2% 屈服点可接受,那么在这里可以找到不同摩擦系数最大 允许的拧紧力矩和相关预应力。然而,该信息仅代表用于参 考的非约束值。对于关键或安全相关的应用,螺丝钉计算可 能需要的所有影响因素必须予以考虑。从不锈钢和钢螺丝钉 表格中的摘录内容如下。

尺寸和
质量
最大拧紧力矩 [Nm] µtotal = 最大预紧力 [kN] µtotal =
0.10 0.14 0.20 0.30 0.40 0.10 0.14 0.20 0.30 0.40
M4, A2-70
M4, A4-80
1.7
2.3
2.2
2.9
2.6
3.5
3.0
4.1
3.3
4.4
2.97
3.96
2.73
3.64
2.40
3.20
1.94
2.59
1.60
2.13
M5, A2-70
M5, A4-80
3.4
4.6
4.2
5.6
5.1
6.9
6.1
8.0
6.6
8.8
4.85
6.47
4.47
5.96
3.93
5.24
3.19
4.25
2.62
3.50
M6, A2-70
M6, A4-80
5.9
8.0
7.4
9.9
8.8
11.8
10.4
13.9
11.3
15.0
6.85
9.13
6.31
8.41
5.54
7.39
4.49
5.98
3.70
4.93
M8, A2-70
M8, A4-80
14.5
19.3
17.8
23.8
21.5
28.7
25.5
33.9
27.6
36.8
12.6
16.7
11.6
15.4
10.2
13.6
8.25
11.0
6.80
9.10
M10, A2-70
M10, A4-80
30.0
39.4
36.0
47.8
44.0
58.0
51.0
69.0
56.0
75.0
20.0
26.5
18.4
24.8
16.2
21.7
13.1
17.5
10.80
14.4
M12, A2-70
M12, A4-80
50
67
62
82
74
100
88
117
96
128
29.1
38.8
26.9
35.9
23.7
31.5
19.2
25.6
15.8
21.1
M16, A2-70
M16, A4-80
121
161
150
198
183
245
218
291
237
316
55.0
73.3
50.9
67.9
44.9
59.8
36.4
48.6
30.0
40.0

所有的数据均为室温下的近似值—见 VDI 2230。

对于六角螺丝钉(ISO 4014 和 4017)、内六角螺丝钉 (ISO 4762) 和螺母 (ISO 4032),标准螺纹在 90 % 利用 0.2 % 屈服点 Rp 0.2。

图 3.9: 不锈钢螺丝钉最大拧紧力矩和产生的最大预紧力

尺寸和
强度等级
最大拧紧力矩 [Nm] 最大预紧力 [kN] µtotal =
0.10 0.12 0.14 0.10 0.12 0.14
M4, 8.8 2.6 3.0 3.3 4.5 4.4 4.3
M5, 8.8 5.2 5.9 6.5 7.4 7.2 7.0
M6, 8.8 9.0 10.1 11.3 10.4 10.2 9.9
M8, 8.8 21.6 24.6 27.3 19.1 18.8 18.1
M10, 8.8 43 48 54 30.3 29.6 28.8
M12, 8.8 73 84 93 44.1 43.0 41.9
M16, 8.8 180 206 230 82.9 80.9 78.8

所有的数据均为室温下的近似值—见 VDI 2230。对于六角螺丝钉(ISO 4014 和 4017)、内六角螺丝钉 (ISO 4762) 和螺母 (ISO 4032),标准螺纹在 90% 利用 0.2% 屈服点 Rp 0.2。

图 3.10: 强度等级 8.8 的钢螺丝钉的最大拧紧力矩和产生的最大预紧力

如果将螺丝钉拧入盲孔,在螺纹孔末端产生封闭的中空空 间。在真空下排空此类封闭空间的速度非常缓慢,且会导致 长时间的出气,这与泄漏的表现方式相同。因此,它也被称 为虚漏。在高真空特别是 UHV 条件下,这种类型的封闭空间 应尽量避免,如无法避免,则必须将其排空。

另一种是真空螺丝钉,可提供轻松的排气方式。其核心已经 钻孔(脱气孔)。螺丝头区域还具有径向铣槽(脱气减少) ,螺丝钉连接的贯穿孔区域通过该铣槽排空。螺丝钉的机械 参数不适用于真空螺丝钉,因为排气口导致机械弱化。

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