NASA Fastener Design Manual 紧固件设计手册 - 翻译 1/14

达文中

微信公众号：达文中 | 文章编号：2019-006（总：第6篇）| 发布时间：2019.10.21

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前言

在第5篇公众号文章中我提到

这份名为Fastener Design Manual 的文件，由RichardT. Barrett 在1990发表在NASA Reference Publication上，编号1228。总共100页，其中前39页是正文，后面是附录。计划等有时间再把很有参考价值的前39页翻译出来。
达文中，公众号：达文中锁紧弹簧垫圈其实起不到锁紧作用？

设计手册的内容目录，正文部分共2章14小节：

简单搂了一眼，我觉得这份手册对于机械工程师来说有很好的借鉴意义，于是利用业余时间逐章逐节逐句翻译。计划分14篇文章发布，此文为第1篇。

正文

NASA

美国国家航空航天局参考出版物 1228 - 1990年

美国国家航空航天局 - 行政管理办公室 - 科学和技术信息部

紧固件设计手册

Fastener Design Manual

[原著]

理查德·T·巴雷特 - 刘易斯研究中心 - 俄亥俄州，克利夫兰

[翻译]

微信公众号：达文中

修正说明

本手册描述了可用于腐蚀控制的各种镀层，包括镀镉和镀锌。它没有提到由这些金属的相对较高的蒸汽压引起的排气问题。紧固件手册主要是为航空应用而编写的，在航空应用中排气通常不是典型的考虑因素。

2008年6月17日发布

目录

概要

本手册是为设计工程师编写的，使他们能够为自己的设计选择合适的紧固件。主题包括紧固件材料选择、镀层、润滑剂、腐蚀、锁定方法、垫圈、嵌件、螺纹类型和类别、疲劳载荷和紧固件扭矩。设计标准的一节包括了扭矩公式的推导、紧固件组上的载荷、同时发生的剪切和拉伸载荷、螺纹孔的拔出载荷、握柄长度、头部样式和紧固件强度。本手册的后半部分介绍了铆钉和锁紧螺栓的一般指导原则和选择标准。

导言

对于一般的观察者来说，设计中螺栓、螺母和铆钉的选择应该是一个简单的任务。实际上，这是一项艰巨的任务，需要仔细考虑温度、腐蚀、振动、疲劳、初始预紧力和许多其他因素。本手册的目的是提供足够有关于螺栓和铆钉材料、表面处理、扭矩和螺纹润滑剂的数据，以使设计者能够对特定设计做出合理选择。锁紧螺母、垫圈、锁定方法、嵌件、铆钉和螺纹孔也包括在内。

一般设计信息

紧固件材料

螺栓可以由多种材料制成，但大多数螺栓是由碳钢、合金钢或不锈钢制成的。不锈钢包括铁基和镍基铬合金。钛和铝螺栓的用途有限，主要用于航空航天行业。

碳钢是最便宜也是最常用的螺栓材料。大多数五金店都出售碳钢螺栓，这些螺栓通常是镀锌的，以防止腐蚀。这种螺栓材料的典型极限强度为55ksi。

合金钢是一种高强度的碳素钢，可热处理至300ksi。然而，它不是耐腐蚀的，因此必须有某种类型的涂层来保护它免受腐蚀。航空航天合金钢紧固件通常镀镉以防腐蚀。

不锈钢 (CRES) 螺栓【Corrosion Resistant Steel，即不锈钢】有多种合金可供选择，其极限强度从 70 到 220 ksi。使用CRES的主要优点是，它通常不需要保护涂层，并且具有比普通碳钢或合金钢更宽的使用温度范围。

表 I 列出了螺栓材料的部分清单。应注意以下注意事项：

(1)螺栓电镀材料通常是最高使用温度的限制因素。

(2)碳钢和合金钢在低于-65℉【约为-53.9℃】的温度下不大理想(易脆)。

(3)氢脆化是大多数常见电镀方法的一个问题，除非使用特殊的工艺。(这个主题在腐蚀部分有更详细的介绍。)

(4)400系列CRES仅含12%的铬，因此在某些环境下会被腐蚀。

(5)不同材料的接触会产生电偶腐蚀，这可能成为一个主要问题。(电偶腐蚀将在本手册的后续章节中介绍。)

表 I 紧固件材料总结

[本节翻译到此结束]

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NASA Fastener Design Manual 紧固件设计手册 - 翻译 2/14
镀层和涂层


大多数电镀工艺都是电解并产生氢气。因此，大多数电镀工艺需要在电镀后在远低于电镀材料分解温度的温度下烘烤，以防止氢脆化。然而，将镀层加热到其分解温度可以再次产生游离氢。因此，超过电镀的安全操作温度会导致由于氢脆和失去腐蚀保护而导致的紧固件过早失效。(表II给出了镀层和涂层的摘要。)表II 镀层和涂层总结

镀镉
最常见的航空航天紧固件电镀材料是镉。电镀是通过电沉积来完成的，而且很容易完成。然而，为了防止氢脆，镀镉部件必须在镀后2小时内，在375℉【约为190.6℃】的温度下烘烤23小时。由于镉在600℉【约为315.6℃】熔化，它的有效使用温度限制是450℉【约为232.2℃】。


镀锌
锌也是一种常见的镀层。热浸镀锌法在商业上称为镀锌。锌也可以电沉积。因为镀锌的表面比较暗淡，所以外观不如镉好看。然而，锌是一种牺牲物质。它会迁移到没有镀膜的地方，这些地方的镀层已经被刮掉了，这样就可以继续提供抗腐蚀能力。锌也可以作为一种含锌丰富的涂料冷涂。锌在785℉熔化，但有用的使用温度最高到250℉。(其抗蚀性能在140℉以上退化。)

磷酸盐涂层
钢或铁通过用稀释的磷酸溶液处理材料表面来涂覆磷酸盐，通常是将零件浸入专有的浴液中。化学反应形成一层温和的晶体磷酸盐保护层。磷酸盐涂层的三种主要类型是锌、铁和锰。磷酸盐涂层的部件可以很容易地涂漆，也可以浸入油或蜡中以提高其耐腐蚀性。紧固件通常用锌或锰磷化。磷化零件中很少出现氢脆。磷酸盐涂层在225°F(对于重锌)到400°F(对于磷酸铁)时开始退化。

镀镍
镀镍，不论是否镀铜(薄镀)，是防止腐蚀和改善钢和黄铜外观的最古老的方法之一。除非镀铬，否则镀镍会失去光泽。镀镍比镀镉或镀锌更昂贵，而且电镀后必须和镀镉一样烘烤，以防止氢脆。在1100°F的工作温度下镀镍效果很好，但由于成本问题，目前它仍然不常用于电镀紧固件。


离子气相沉积镀铝
离子气相沉积铝电镀是由McDonnell-Douglas公司开发的，用于飞机零部件的镀膜。与镀镉相比，它有一些优势：(1)不产生氢脆。(2)对不同材料的电偶腐蚀起绝缘作用。(3)涂层可接受高达925℉。(4)也可用于钛和铝的涂层。(5)该工艺不产生有毒副产物。它也有一些缺点：(1)由于该工艺必须在专门设计的真空室中进行，因此相当昂贵。(2)在盐雾试验中，镉的性能优于离子气相沉积的铝。


镀铬
镀铬通常用于汽车和家电装饰应用，但不常用于紧固件。镀铬紧固件的成本大约与不锈钢紧固件相同。好的镀铬要求在镀铬之前同时电镀铜和镍。镀铬也有氢脆问题。但是，对于800℉到1200℉的最高工作温度，它是可以接受的。


Serrnatel W和SerrnaGard
Sermatel W和SermaGard是专有涂料，由无机粘结剂中的铝颗粒组成[1]，添加铬酸盐以抑制腐蚀。涂层材料由AMS3126A覆盖，工艺依据AMS2506。将涂层喷涂或浸渍在零件上，并在650°F下固化。(SPS Technologies[2]在900°F下测试了Sermatel W涂层紧固件，没有发生退化。) 由于紧固件被完全涂覆，这种涂覆过程可以防止氢脆和应力腐蚀。Sermatel在抗腐蚀方面与镀镉一样有效，但成本比镉高出约15%。目前没有镀有Sermatel W或SermaGard涂层的“现货的”紧固件，但该公司将对紧固件或机械零件进行少量订购。这些涂层将在螺纹区域中进行多达15次拆卸，而不会导致涂层严重退化。

Stalgard
Stalgard是一种专有的涂层工艺[3]，包括有机涂层，无机-有机涂层，或两者兼而有之，用于耐腐蚀。根据Stalgard测试数据，其涂层在盐雾和风化测试中优于镀镉或镀锌。Stalgard涂层还提供电偶腐蚀防护。但是，这些有机涂层的最高工作温度为475°F。
扩散镀镍镉
这种工艺是由航空航天公司开发的，用于较高温度的镉涂层。在基板上电镀0.0004英寸厚的镍镀层，然后是0.0002英寸厚的镍镀层。镉板(符合AMS2416)。然后将部件在645°F下烘焙1小时，所得涂层可承受1000°F。然而，镍板必须始终完全覆盖部件，以避免镉损坏部件。这个过程成本高昂，并且需要严密的控制。


镀银
对于大多数紧固件应用来说，镀银的成本高得令人望而却步。最大的例外是在航空航天工业，镀银螺母被用在不锈钢螺栓上。银具有防腐蚀和干润滑剂的双重作用。镀银可用于1600°F，是良好的高温润滑剂。由于银在正常的大气中暴露会变色，镀银螺母通常被涂上透明的蜡以防止变色。蜡是一种很好的室温润滑剂。因此，扭矩表的正常“干扭矩”值应降低50%，以适应这种润滑剂。

钝化与预氧化
除非在组装之前进行钝化或预氧化(参考文献l)，否则不锈钢紧固件会在连接处产生电偶腐蚀或氧化。钝化是通过用酸对钢进行短暂处理，在钢上形成一层保护性氧化物涂层。氧化物涂层差不多都是惰性的。预氧化是通过在空气炉中将紧固件暴露在大约1300°F的温度下形成氧化物涂层。所形成的表面有足够的惰性，以防止由于电偶腐蚀而产生的磨损。

黑色氧化物涂层
黑色氧化物涂层与油膜相结合，仅仅是增强了碳钢紧固件的外观。油膜是涂层中唯一防止腐蚀的部分。

引文：

---

[1] Sermatech  International,Inc., Limerick, Pennsylvania.

[2] Jenkintown, Pennsylvania

[3] Eico Industries, Rockford, Illinois.

参考文献
1，Slincy, HE.: High Temperature Solid Lubricants— 1. Layer Lattice Compounds and Graphite. Mech. Eng., vol. 96, no. 2, Feb. 1974, pp. 18-22

[本节翻译到此结束]

远祥

有些复杂零件，能通俗易懂一些吗？

瑞香

这个 内容记得在之前的社友发表的文档里，也提到过

瑞香

只是 指 标题，在一本书中确实也提到过

达文中

瑞香 发表于 2019-10-22 15:05
只是 指 标题，在一本书中确实也提到过

哪个标题？

达文中

达文中 发表于 2019-10-21 19:32
NASA Fastener Design Manual 紧固件设计手册 - 翻译 2/14
镀层和涂层

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螺纹润滑剂

虽然有许多螺纹润滑剂可供选择，但这里只介绍了几种常见的润滑剂。最常见的是油、油脂或蜡、石墨和二硫化钼。还有几种专有润滑剂，如Never-Seez和SynergisticCoatings。一些螺纹固定化合物，如乐泰（Loctite），也可用作螺栓组件的润滑剂，特别是允许拆卸螺栓的化合物。表III给出了螺纹润滑剂的概要。

表Ⅲ螺纹润滑剂总结

油脂虽然油和润滑脂是最常见的螺纹润滑剂类型，但它们仅限于不超过250°F的工作温度。(高于此温度，油或油脂将融化或沸腾掉。)。此外，油不能在真空环境中使用。然而，只要遵守这些预防措施，油和润滑脂对润滑和防腐蚀都有好处。

石墨
“干”石墨其实并不干。它是细碳粉，需要水分(通常是油或水)才能成为润滑剂。因此，它的最高操作温度被限制在油或水的沸点。它在真空环境中使用也会损失水分。由于干石墨是一种磨料，如果超过上述限制，它的使用对螺栓连接是有害的。

二硫化钼
二硫化钼是最受欢迎的干性润滑剂之一。它可以在真空环境中使用，但在大约750°F时变成三硫化钼。三硫化钼是一种磨料，而不是润滑剂。

协同涂料
这些专有涂层[1]是一种注入并烘烤到多孔金属基体涂层中的氟碳化合物，既能防止腐蚀，又能起到润滑作用。然而，在他们的销售说明书中给出的最高操作温度是500°F。协同涂层也可以在真空环境中工作。

Neverseez
根据制造商的说法，这种专有化合物[2]是一种石油基润滑剂和防腐剂，作为一次性润滑剂达到2200°F时是令人满意的。油会蒸发掉，但这种化合物会在螺纹之间留下镍、铜和锌的氧化物。这允许拆卸紧固件，但每次安装紧固件时都需要重新添加润滑剂。美国宇航局Lewis的员工测试了这种化合物，发现效果很不错。

Silver Goop(银泥)
Silver Goop是一种专有化合物[3]，含有20%至30%的银。Silver Goop可用于1500°F，但不能用在铝或镁上。它非常昂贵，因为它有银的成分。

螺纹紧固化合物
一些可拆卸的螺纹紧固化合物(如Loctite)也可用作抗磨损和润滑物质。不过，它们是环氧化合物，其最高工作温度约为275°F【135℃】。

---

[1] General Magnaplate Corporation, Ventura, California.

[2] Bostic Emhart, Broadview, Illinois

[3] SwagelokCompany, Solon, Ohio

[本节翻译到此结束]

13995936456

直接看英文不就行