汽車用SPR鉚釘鍍層的選擇

趙偉奇，冉 浩，王 光

（長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000）

0 引言

隨著環(huán)境污染的加劇，國內(nèi)外法規(guī)對汽車排放量的要求越來越嚴(yán)格，汽車的輕量化已成為發(fā)展的必然趨勢，而汽車輕量化最有效的手段就是輕質(zhì)合金材料的應(yīng)用，目前國內(nèi)外已開發(fā)出多種材料混合搭配的輕量化白車身。由于物理性能的差異，導(dǎo)致如鋁合金和鋼這樣熔點相差過多的金屬無法應(yīng)用熔化焊連接。自沖鉚接（Self Piercing Rivet，SPR）工藝作為機(jī)械連接工藝，能夠解決此類問題且大批量應(yīng)用，但隨之帶來的鉚釘防腐問題成為急需解決的問題之一，本研究就SPR鉚釘防腐進(jìn)行了分析研究，為各汽車主機(jī)廠在鉚釘鍍層的選擇方面提供借鑒。

1 事件描述

某主機(jī)廠鋁合金機(jī)蓋在采用某SPR供應(yīng)商的A型號鍍層鉚釘連接時出現(xiàn)如下問題：

零部件在電泳后的運(yùn)輸過程中，連接點處鉚釘表面的電泳漆膜出現(xiàn)脫落現(xiàn)象（如圖1所示），增大了鉚釘表面的腐蝕風(fēng)險。

圖1 失效樣品Figure 1 Failure sample

2 原因分析

對圖1中漆膜脫落位置表面元素分布與鉚釘原鍍層表面元素分布進(jìn)行對比，結(jié)果見表1。

表1 漆膜脫落位置與鉚釘原鍍層元素分布（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對比Table 1 Elements distribution comparison between paint dropping location and original rivet coating（mass fraction）

由表1可知，漆膜脫落位置較鉚釘原鍍層位置Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，Zn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，這說明漆膜脫落位置為電泳漆攜帶部分鍍鋅層一起脫落，即鉚釘自身鍍層與基材附著力不足。為此需要開發(fā)新型號的鍍層鉚釘解決這一問題。

3 試驗驗證

經(jīng)行業(yè)調(diào)查后，引入了其他主機(jī)廠大量應(yīng)用的另一種鍍層B鉚釘。首先我們對A、B兩種鍍層鉚釘表面成分進(jìn)行了分析和對比，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種鍍層成分對比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Composition comparison between A and B coating（mass fraction）

由表2可見，A鍍層主要元素為Zn，B鍍層主要元素為Sn和Zn。由文獻(xiàn)可知，Sn元素能夠促進(jìn)Zn粉在鉚釘基材表面的沉積效應(yīng)，增加鍍層與基材的附著力，且鍍層中必須有Sn作為粘接劑，才能形成具有良好結(jié)合力的鍍層。

3.1 附著力驗證方法

針對鉚釘表面積小，無法對其表面進(jìn)行劃格，故對主機(jī)廠漆膜附著力測定試驗方法進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，具體方法如下：

步驟1：在100 mm×40 mm試驗樣片上均勻鉚接4個鉚點，試片和鉚釘不允許有沾污、嚴(yán)重破損和變形等缺陷。

步驟2：對試片進(jìn)行前處理和電泳處理，且涂層完全固化。

步驟3：用3M 610型號測試專用膠帶良好地黏附在鉚釘頭部，并用橡皮擦拭膠帶，使膠帶牢牢黏附在鉚釘頭部表面，黏附約1～2 min后，握住膠帶一端，使膠帶與漆膜保持直角，再瞬間撕離膠帶，觀測漆膜的脫落情況。

步驟4：結(jié)果判定，如漆膜存在脫落現(xiàn)象即為失效；無任何變化視為合格。

利用上述方法對A、B兩種鍍層鉚釘進(jìn)行附著力檢測試驗，結(jié)果見圖2。

圖2 鍍層附著力檢測結(jié)果Figure 2 Adhesion test result of coating

由圖2可見：B鍍層鉚釘附著力試驗無鍍層脫落現(xiàn)象，A鍍層鉚釘附著力試驗后出現(xiàn)鍍層脫落現(xiàn)象，即A鍍層附著力較B鍍層附著力差。

3.2 耐久試驗驗證方法

為規(guī)避整車行駛過程中，由于鍍層附著力不良導(dǎo)致脫落的現(xiàn)象，設(shè)計如下循環(huán)腐蝕試驗，模擬鉚釘鍍層隨整車運(yùn)行5 a的狀態(tài)。

首先，為保證試驗條件與實際車輛行駛狀態(tài)更為接近，對發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板表面溫度變化進(jìn)行檢測，試驗環(huán)境條件如下：

溫度35℃，相對濕度50%，日照強(qiáng)度1 050 W/m2；試驗工況：坡度10%，恒速60 km/h，行駛后怠速20 min，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板表面溫度Figure 3 Inner plate surface temperature of engine cover

由表3可知，汽車發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板表面最高溫度為71.2℃，行駛時最高溫度為48.9℃。

根據(jù)車輛發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)板表面實際工況，將GB/T 20854—2007《金屬和合金的腐蝕 循環(huán)暴露在鹽霧“干”和“濕”條件下的加速試驗》中“干”條件由原標(biāo)準(zhǔn)的（60±2）℃，修改為（70±2）℃，修改后試驗條件如表4所示。

表4 循環(huán)腐蝕試驗條件Table 4 Cyclic corrosion test conditions

按表4中試驗條件進(jìn)行90個循環(huán)的循環(huán)腐蝕試驗，兩種鍍層的試片的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 循環(huán)腐蝕試驗結(jié)果Figure 3 Cyclic corrosion test results

由圖3可見，B鍍層鉚釘漆膜表面無任何變化，A鍍層鉚釘漆膜表面發(fā)生起泡現(xiàn)象，即A鍍層的耐腐蝕性較B鍍層差。

3.3 整車強(qiáng)化腐蝕試驗

為驗證此判定結(jié)果的準(zhǔn)確性，分別用兩種鉚釘鉚接試驗零部件，并進(jìn)行主機(jī)廠50個循環(huán)整車強(qiáng)化腐蝕試驗，試驗條件（表5）參照QC/T 732—2005《乘用車強(qiáng)化腐蝕試驗方法》，試驗結(jié)果如圖4所示。

表5 整車強(qiáng)化腐蝕試驗條件Figure 5 Accelerated corrosion testing conditions for vehicle

圖4 整車強(qiáng)化腐蝕試驗結(jié)果Figure 4 Accelerated corrosion test results of vehicle

由圖4可知，在整車強(qiáng)化腐蝕試驗50個循環(huán)后，鍍層B表面無任何變化，鍍層A表面出現(xiàn)了起泡現(xiàn)象，由此可知，整車強(qiáng)化腐蝕試驗結(jié)果與循環(huán)腐蝕試驗結(jié)果一致，且鍍層B滿足主機(jī)廠耐蝕性的要求。

綜上所述，A、B鍍層試驗結(jié)果對比見表6。

表6 A、B鍍層試驗結(jié)果對比Table 6 Results comparison between coating A and coating B

4 結(jié)語

（1） 通過以上3種試驗的對比分析可知，B鍍層的附著力和耐蝕性均要優(yōu)于A鍍層，通過批量生產(chǎn)驗證，解決了鉚釘漆膜起泡和附著力不足的問題；

（2） 主機(jī)廠進(jìn)行鉚釘鍍層選型時，可以通過鍍層成分微觀分析、附著力測試、循環(huán)腐蝕及強(qiáng)化腐蝕試驗等幾個方面進(jìn)行驗證，以達(dá)到最滿意的效果。