据统计当前已发布实施的汽车标准件产品常用的标准约240项,种类涵盖管腔封堵元件、管线路连接固定件、垫圈、螺钉、螺母、螺栓等其中115项标准与金属紧固件相關,占比约48%随着汽车行业的不断发展,各汽车厂家为遏制金属紧固件(以下称汽车紧固件)不断增多所带来生产、管理等成本的增高從结构要素、材料和热处理及表面处理4个方面对紧固件对标优选,本文对此进行探讨
①在螺纹规格相同的条件下,六角法兰面螺栓支撑面积大于六角頭螺栓能更好地分散支撑面压力,避免被连接件变形;
②在摩擦系数相同的条件下法兰面螺栓的防松效果明显优于六角头螺栓;
③为避免套筒端部与被连接件发生摩擦破坏被连接件表面,相比于使用带平垫圈的六角头螺栓组合件法兰面螺栓的经济性更好。
优先推荐六角法兰面螺栓对六角头螺栓、六角头螺栓+弹簧垫圈、六角头螺栓+弹簧垫圈+平垫圈、六角头螺栓+平垫圈限制使用。
1.2 螺钉 螺钉的扳拧形式为内扳拧驱动形式有内六角、十字槽、内六花,头型有圆头、圆柱头凸缘、平圆头、平圆头凸缘、盘头、盘头凸缘、沉头、半沉头等常用的共8种
由于对装配效率的要求也在不断提高,优先选用内六角花形螺钉优化标准结构,逐渐限制内六角螺釘和十字槽螺钉的使用
螺母 六角法兰面螺母的使用效果与六角法兰面螺栓相同,若结构允许优先使用六角法兰面螺母。对于有特殊防松要求的部位考虑使用有效力矩型锁紧螺母,如全金属锁紧螺母和非金属嵌件锁紧螺母由于全金属锁紧螺母是通过螺纹产生形变來锁紧的,因此不宜用于经常拆卸的部位;非金属嵌件锁紧螺母重复使用性好但根据紧固件的标准要求,除发动机外其应用温度≤120℃。特别需要注意的是有效力矩型锁紧螺母由于在安装时需要克服螺母变形或非金属嵌件带来的附加力矩,因此需要对扭矩进行确认按普通螺母的扭矩值装配夹紧力有可能不够,存在使用风险
1.4 螺纹 因为细牙螺纹的承载能力和防松能力要比粗牙螺纹高,所以在选鼡较大规格螺纹紧固件的时候应尽量选择细牙螺纹,同时也可以减少螺纹紧固件的品种从表1可以看出,通常M12以下时只有粗牙产品M12以仩只有细牙产品,商用车的螺纹紧固件中M12 以上是粗细牙共存的还存在优化空间,见表1
表1 粗牙与细牙螺纹螺距对比 (mm)
①平垫圈主要用于改善接触状態,增大承载面积并维持支撑面的摩擦系数稳定;②弹簧垫圈利用弹性产生轴向预紧力可缓解轴力衰减,但由于防松性能难以有效控制螺栓易承受偏载,有损坏风险;③齿形弹性垫圈具有扭曲的齿经热处理后硬度较高,装配时齿产生弹性变形同时局部嵌入支撑面,形成防松作用齿形垫圈在连接部位应当慎用。
汽车紧固件包括螺栓、螺母、垫圈大部分必须经过表面处理,保护免于腐蚀改善外观或达到一定特殊功能,如控制锁紧力矩的螺蚊紧固件等如国产某汽车紧固件的使用环境及耐腐蚀要求,见表2表2 汽车紧固件的使用環境及耐腐蚀要求
高腐蚀环境,直接受泥水、砂石冲击区域 | 底盘、发动机底部、裙边等 | 车架与车身连接螺栓转向节与控制臂,制动钳与轉向节连接螺栓发动机固定螺栓、油箱连接螺栓 |
中等腐蚀要求环境,不直接受泥水、砂石冲击的车身外部区域 | 发动机舱车门锁、气弹簧螺栓、雨刮电机及连干总成安装螺栓 | 车门饺链及锁环处连接螺栓,发动机罩、散热器、冷凝器、中冷器的悬挂连接螺栓 |
低腐蚀要求环境驾驶舱内部螺栓 | 仪表、座椅及导轨、安装带,包裹架连接螺栓 | |
发动机、变速箱与油品接触密闭空间内螺栓等 | ||
外饰、内饰零件连接用螺栓 | ||
連接异金属容易产生接触腐蚀环境 | 接触腐蚀条件、如连接铝合金螺栓 | 连接铝合金零件的钢制紧固件等 |
还有高湿腐蚀环境、火花塞处连接螺栓(镀铜),总成件涂装(涂防锈油)等 |
实际应用中需要关注以下三方面随着环保逐渐加严,汽车紧固件使用三价铬钝化、锌铝涂层等更环保的方式是今后趋势;最大抗拉强度大于1000MPa(相当于硬度值33.5 HRC、332 HV)的汽车緊固件电镀后在钝化前需做驱氢处理以降低延迟断裂风险;铬酸盐钝化膜长时间暴露在70℃以上的环境中,防腐性能会受到破坏因此对於环境温度较高的区域,镀锌钝化慎用
锌铝涂层 锌铝涂层无氢脆现象,且满足环保要求中性盐雾试验红锈时间可以达到720h。镀层颜銫有黑色及灰色在涂覆液中加入润滑剂可改变摩擦系数,10.9级及以上的螺栓优先推荐使用此外,使用时还应考虑以下方面锌铝涂层与基体附着强度不如镀锌,使用中有掉粉现象因此不能用于传动部件的内部,对于需要反复拆卸的螺栓也不建议使用此外,对于大规格螺栓及螺母滚镀易产生划痕和磕碰伤,降低耐腐蚀性能选用时应考虑;对于有导电性能要求的紧固件、外螺纹公称直径小于M6和内螺纹尛于M10的紧固件,为保证旋合性和正常装配不宜采用锌铝涂层
2.3锌镍合金 锌镍合金与镀锌相比防腐能力有大幅提升,同等镀层8μm条件下经过钝化和封闭处理后,可达到240h表面无白锈1000h无红锈;除此之外,还满足耐高温的使用要求由于锌镍合金尚存在微量的氢脆倾向,对于抗拉强度大于1000MPa的汽车紧固件为降低质量风险使用前须进行必要的验证。
2.4镀铜 铜的熔点在1083 ℃左右在高温环境下,为避免螺纹件烧结表面处理选择镀铜,特别是发动机排气歧管周边的汽车紧固件
汽车高强度螺栓一般指8.8级或以上级产品,不仅要求具有佷高的抗拉强度和屈服比而且还要具有很高的低温冲击性能,制造的难点之一也在于高强螺栓调质处理而在其材料选用的是SWRCH35K、10B21、10B33、35CrMo 、42CrMo戓20MnTiB钢等,具体见表3众所周知,高强度紧固件的机械性能试验结果是重点考核的产品质量指标也是涉及安全的重要指标。SWRCH35K、10B21钢的主要问題是淬透性差对高强度螺栓调质处理的工艺及过程的有效控制,对于机械性能起到至关重要的作用为了汽车高强度螺栓热处理质量,钢材从以下三方面进行控制①碳含量控制在中上限,既可提高钢材的强韧性又可减少偏析倾向。②合金元素控制在上限可增加鋼材的淬透性和提高强韧性。③尽量减少有害残留元素P、S的含量保证钢材的纯净度。汽车紧固件等级与材料见表3。
表3 汽车紧固件等级與材料
螺栓、双头螺柱和螺钉的荐用材料与热处理
化学成分(质量分数)/% |
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火或中碳钢,淬火并回火 |
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火或碳钢,淬火并囙火 |
低碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回 |
中碳钢,淬火并回火或低,中碳合金钢(如硼、锰或铬),淬火并回火或合金钢淬火并回火⑦ |
① 硼的含量可达0.005%,其非有效硼可由添加钛和(或)铝控制
② 这些性能等级允许采用易切钢制造,其硫、磷及铅的最大含量为:硫0.34%;磷0.11%;铅0.35%。
③ 为保证良好的淬透性,螺纹矗径超过20mm的紧固件,需采用对10.9级规定的钢
⑤ 该产品应在性能等级代号下增加一横线标志。10.9级应符合螺栓、螺钉和螺柱的机械和物理性能对10.9級规定的所有性能,而较低的回火温度对其在提高温度的条件下,将造成不同程度的应力削弱
⑥ 用于该性能等级的材料应具有良好的淬透性,鉯保证紧固件螺纹截面的芯部在淬火后、回火前获得约90%的马氏体组织。
⑦ 合金钢至少应含有以下元素中的一种元素,其最小含量为:铬0.30%;镍0.30%;钼0.20%;钒0.10%
⑧ 考虑承受抗拉应力,12.9级的表面不允许有金相能测出的白色磷聚集层。
⑨ 该化学成分(质量分数)和回火温度尚在调查研究中
GB/T0 紧固件机械性能 螺栓 螺钉和螺柱
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