鋁合金螺栓在新能源電驅(qū)動(dòng)總成上的應(yīng)用

周飛 陳安紅 鄭蔚光 何海

鎂合金是新能源電驅(qū)動(dòng)總成殼體理想的輕量化材料。為解決鎂合金殼體與緊固件之間的電偶腐蝕，須采用鋁合金螺栓方案。與傳統(tǒng)鋼制螺栓進(jìn)行對(duì)比，分析了鋁合金螺栓配合鎂合金殼體進(jìn)行裝配的優(yōu)勢(shì)，并研究了鋁合金螺栓應(yīng)用中的嚙合長(zhǎng)度計(jì)算、表面處理選擇和裝配工藝制定問題。關(guān)鍵詞：鋁合金螺栓;新能源電驅(qū)動(dòng)總成;鎂合金

0 前言

受動(dòng)力電池質(zhì)量、續(xù)航里程的限制，新能源汽車的輕量化已成為新能源車企首要考慮的問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，新能源汽車每減少100 kg質(zhì)量，可減少20%的電池成本[1]。根據(jù)2020年國(guó)家發(fā)布的最新“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”，新能源汽車動(dòng)力總成的集成設(shè)計(jì)仍是現(xiàn)階段的發(fā)展重點(diǎn)。隨著新能源動(dòng)力總成的集成化程度越來越高，殼體在總成中的質(zhì)量占比越來越高，動(dòng)力總成殼體輕量化對(duì)于新能源整車?yán)m(xù)航里程的提升意義重大。

鎂的密度大約是鋁的三分之二，不到鋼或鑄鐵的四分之一，是工程應(yīng)用中最輕的金屬材料之一。除此之外，它還有具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、較好的延伸率和抗沖擊力、良好的機(jī)械加工性能和尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的電磁屏蔽能力，以及較好的材料可回收性[2]。因此，鎂合金是1種非常理想的新能源汽車輕量化材料。

近年來，鎂合金大多用于駕駛艙內(nèi)飾零件上，如方向盤骨架、儀表盤支架和座位架等。這些零件主要在一般環(huán)境下服役，幾乎不需要考慮鎂合金的防腐蝕問題。但是，電驅(qū)動(dòng)總成位于前艙非封閉空間內(nèi)，其服役環(huán)境是各種大氣環(huán)境，偶爾存在鹽水飛濺環(huán)境[3]。因此，鎂合金電驅(qū)動(dòng)總成殼體除了須考慮鎂合金本身的防護(hù)以外，還需要使用鋁合金螺栓解決鎂合金殼體與緊固件的電偶腐蝕。本文探討了采用鋁合金螺栓方案的優(yōu)勢(shì)，并研究了鋁合金螺栓應(yīng)用須解決的幾個(gè)問題。

1 鋁合金螺栓方案的應(yīng)用

使用鋁合金螺栓，首先是為了解決鎂合金殼體與緊固件的電偶腐蝕問題。金屬的抗氧化能力取決于其表面氧化生成的氧化膜的致密程度。致密且連續(xù)的氧化膜可以限制氧原子通過，從而抑制內(nèi)部金屬繼續(xù)氧化。致密度系數(shù)α是金屬氧化物和生成該氧化物所消耗金屬體積的比值。幾種常用金屬元素的α值見表1[4]。鎂的致密度系數(shù)α為0.78，被氧化后表面形成疏松多孔氧化膜，氧原子可以通過氧化膜的縫隙直接到達(dá)基體繼續(xù)氧化，因此鎂合金氧化膜對(duì)基體的保護(hù)作用有限，因此鎂合金不適用于大多數(shù)的腐蝕環(huán)境。

鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，標(biāo)準(zhǔn)電極電位為-2.36 V，這導(dǎo)致鎂合金的耐腐蝕性很差。在電解質(zhì)中，鎂很容易作為陽極產(chǎn)生嚴(yán)重的電偶腐蝕[5]，而作為陰極的金屬基本不會(huì)發(fā)生腐蝕。

通常，鎂合金殼體和緊固件一般為異種金屬連接，容易產(chǎn)生電偶腐蝕，其腐蝕模型如圖1所示。鎂合金殼體和緊固件的電偶腐蝕是2個(gè)反應(yīng)式，分別為鎂的陽極反應(yīng)和其他金屬的陰極反應(yīng)[6]。

電偶腐蝕電流決定電偶腐蝕的速度，電偶腐蝕電流I可以用下列公式表示[7-8]。

式中，EK和EA分別是陰極和陽極的腐蝕電位，單位V;RK和RA分別是陰極和陽極的極化電阻，RE是電解液的電阻，RM是陰極和陽極金屬的接觸電阻，單位Ω。

在一般情況下，RE和RK比RA和RM小很多，因此式1可以簡(jiǎn)化為式2。

式中，EK和EA分別是陰極和陽極的腐蝕電位，單位V;RK為陰極的極化電阻，RE為電解液的電阻，單位Ω。

由式2可知，電偶腐蝕電流隨陰極和陽極金屬的腐蝕電位差增大而增大。鎂作為陽極，與它接觸的金屬之間的電位差越大，越容易引起腐蝕。有些金屬如鐵、鎳、銅等，與鎂的電位差很大，可引起鎂的強(qiáng)烈腐蝕。而另一類金屬如鋁、鋅、鎘、錫等，導(dǎo)致的電偶腐蝕傾向則較小[9]。根據(jù)此原理，采用鋁質(zhì)緊固件可以減小與鎂合金殼體的電偶腐蝕。

為了對(duì)比鋁質(zhì)緊固件和鋼制緊固件與鎂合金殼體接觸的耐腐蝕性能，本文將EN AW-6056材質(zhì)的鋁螺栓擰至AZ91D鎂合金殼體上，在室溫下將其浸泡在1% NaCl溶液中100 h。試驗(yàn)后的殼體在進(jìn)行清洗烘干后，腐蝕情況如圖2所示。在圖2（a）中，鋁合金螺栓和鎂合金殼體腐蝕情況較好，基本沒有發(fā)生點(diǎn)蝕;在圖2（b）中，鋼制螺栓和鎂合金殼體表面均產(chǎn)生了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕。

與鋼制螺栓相比，除了可以從根本上解決鎂合金殼體電化學(xué)腐蝕問題外，鋁合金螺栓配合鎂合金殼體還有以下其他優(yōu)點(diǎn)[10-11]：（1）每個(gè)緊固件可以減少60%的質(zhì)量，使用在電驅(qū)動(dòng)總成合箱法蘭面位置可以大大降低總成的質(zhì)量。（2）鎂合金和鋁合金的熱膨脹系數(shù)相近，與鋼的熱膨脹系數(shù)大約相差1倍。鋼制螺栓和鎂合金殼體螺紋聯(lián)接副由于溫度變化將產(chǎn)生附加應(yīng)力，常常會(huì)使螺栓頭下殼體表面壓應(yīng)力超過鎂合金材料的抗壓強(qiáng)度，從而造成鎂合金殼體表面的材料蠕變，最終導(dǎo)致鋼制螺栓的預(yù)緊力衰減。鋁合金螺栓配合鎂合金殼體有利于消除或降低熱應(yīng)力，減小鎂合金殼體材料的蠕變，從而改善預(yù)緊力的保持能力（圖3）。（3）鋁合金的剛度小，同樣的軸向力對(duì)應(yīng)的伸長(zhǎng)量與擰緊轉(zhuǎn)角大，適合采用扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊。當(dāng)被連接件承受外載時(shí)，可以減小螺栓上的交變負(fù)荷。（4）鋁的致密度系數(shù)α>1，可以在其表面形成氧化層，從而起到防腐蝕作用，因此鋁合金螺栓不需要額外的表面處理。

除了采用鋁合金螺栓以外，接頭連接處盡量不采用易積存電解液的沉孔結(jié)構(gòu)，而采用凸臺(tái)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步減小鎂合金殼體產(chǎn)生電偶腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

2 鋁合金螺栓的應(yīng)用問題

2.1 鋁合金螺栓和鎂合金殼體嚙合長(zhǎng)度計(jì)算

在螺紋連接中，由于過載導(dǎo)致的內(nèi)螺紋滑牙不易發(fā)現(xiàn)，且內(nèi)螺紋零件的維修成本高，所以在螺紋連接設(shè)計(jì)時(shí)，接頭過載失效模式應(yīng)為螺栓斷裂而不能是內(nèi)螺紋拉脫。在螺紋規(guī)格、材料強(qiáng)度一定的情況下，螺紋嚙合長(zhǎng)度的增加可以提升抗剪切截面積，提升內(nèi)外螺紋的剪切強(qiáng)度。

根據(jù)《VDI 2230高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算規(guī)范》[12]，最小嚙合長(zhǎng)度meff的計(jì)算公式如式3所示。

式中，Rm max為螺栓最大抗拉強(qiáng)度，單位MPa;As為外螺紋應(yīng)力橫截面面積，單位mm2;P為螺距，單位mm;dmin為外螺栓最小外徑，單位mm;D2 max為內(nèi)螺紋最大螺紋中徑，單位mm;C1、C3為修正系數(shù)，對(duì)于內(nèi)螺紋盲孔一般均取1.000和0.897;τBM為內(nèi)螺紋剪切強(qiáng)度，取抗拉強(qiáng)度的50%，單位MPa。

以鎂合金殼體材料AZ91D、鋁合金螺栓材料EN AW-6056和動(dòng)力總成常用的合箱法蘭面螺栓規(guī)格M8螺紋為例，計(jì)算得出螺紋最小嚙合長(zhǎng)度meff約為1.7 d（螺紋公稱直徑，單位mm），相同規(guī)格8.8級(jí)的鋼制螺栓，嚙合長(zhǎng)度則需要達(dá)到2.7 d。

2.2 鋁合金螺栓表面處理的選擇

因鋁合金相對(duì)于鋼的強(qiáng)度要低很多，為獲得和相同規(guī)格8.8級(jí)鋼制螺栓相當(dāng)?shù)难b配預(yù)緊力，鋁合金螺栓的擰緊方式須采用超彈性擰緊法。在工程實(shí)踐中，可以通過扭矩-轉(zhuǎn)角法達(dá)到超彈性擰緊。該裝配工藝可以減小螺栓預(yù)緊力的離散度。同時(shí)，鋁合金螺栓需要穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，通過降低量產(chǎn)緊固件的摩擦系數(shù)差異，穩(wěn)定擰緊扭矩和在交變負(fù)荷下的鎖緊力。

為了穩(wěn)定摩擦系數(shù)，當(dāng)今最常用的鋁合金螺栓表面處理采用含高分子聚合物的水性潤(rùn)滑劑[13]。該潤(rùn)滑劑采用浸漬方式涂覆，烘干后在螺栓表面形成潤(rùn)滑膜，可保證鋁合金螺栓和鎂合金殼體內(nèi)螺紋的摩擦系數(shù)控制在0.09～0.16范圍之間。

因密封介質(zhì)中的成分可能會(huì)破壞潤(rùn)滑膜，在選擇表面處理時(shí)還需要考慮密封介質(zhì)對(duì)摩擦系數(shù)的影響，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量選用對(duì)密封介質(zhì)不敏感的潤(rùn)滑劑，并嚴(yán)格控制液態(tài)密封介質(zhì)的用量。

2.3 扭矩-轉(zhuǎn)角裝配工藝的制定

上述方案的有效性可以通過轉(zhuǎn)矩失效試驗(yàn)來驗(yàn)證。如圖4所示，技術(shù)人員依次對(duì)6個(gè)樣本的螺栓加載扭矩直至失效，并記錄從開始擰緊到螺栓屈服，再到失效的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

試驗(yàn)結(jié)果表明，6個(gè)樣本的失效模式均為螺栓斷裂，證實(shí)了嚙合長(zhǎng)度設(shè)計(jì)符合要求。螺栓的屈服扭矩為15.66～19.07 N·m，平均屈服扭矩為17.96 N·m，屈服扭矩離散度為7.1%。根據(jù)常用擰緊槍的量程（一般為50.00 N·m），確定起始扭矩為11.00 N·m，屈服角度均在45 °左右，因此可以確定該鋁螺栓接頭的擰緊工藝為起始扭矩11.00 N·m，屈服角度45 °。經(jīng)確認(rèn)，在該工藝下螺栓預(yù)緊力也符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

鋁合金螺栓可以從根本上解決新能源電驅(qū)動(dòng)總成鎂合金殼體的電偶腐蝕問題。本文研究了鋁合金螺栓在新能源電驅(qū)動(dòng)總成殼體上應(yīng)用的一些問題，并得到以下結(jié)論。

（1）鋁合金螺栓與鎂合金殼體的嚙合長(zhǎng)度為1.7 d，比相同規(guī)格的鋼制螺栓可以減小1.0 d的嚙合長(zhǎng)度。使用鋁合金螺栓可以使被連接件的結(jié)構(gòu)變得更為緊湊，同時(shí)相應(yīng)的材料用量也減小了。

（2）鋁合金表面處理一般為表面潤(rùn)滑，選擇表面處理時(shí)還須考慮密封介質(zhì)的影響。

（3）通過扭矩失效試驗(yàn)，驗(yàn)證了鋁合金螺栓嚙合長(zhǎng)度符合設(shè)計(jì)要求，同時(shí)確定了扭矩轉(zhuǎn)角的工藝參數(shù)。

[1]關(guān)永學(xué).新能源汽車輕量化[J]. 汽車與駕駛維修（維修版）， 2017（12）：119.

[2]亢海娟，李全安，周偉.鎂合金的腐蝕特性與防護(hù)措施[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù)， 2012， 24（006）：513-516.

[3]劉新寬，向陽輝，胡文彬，等.鎂合金汽車零件的腐蝕與防護(hù)[J].材料導(dǎo)報(bào)，2003， 17（008）：8-10.

[4]王渠東.鎂合金及其成形技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[5]王福會(huì)，杜克勤，張偉.鎂合金的腐蝕與防護(hù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)材料進(jìn)展， 2011，30（002）：29-34.

[6]G WANG， K STWART，R BERKMORTEL，et al. Corrosion prevention for external magnesium automotive components[C]. Sae World Congress & Exhibition， 2004.

[7]ZHENG W， DERUSHIE C， ZHANG R. Protection of Mg alloys for structural applications in automobiles[C]. SAE World Congress，2001.

[8]徐宏妍，李智勇.AZ91D鎂合金電偶腐蝕的研究[J].中國(guó)腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)， 2013，33（004）：298-305.

[9]曾榮昌，陳君，張津.鎂合金電偶腐蝕研究及其進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2008，22（001）：107-109.

[10]FRIEDRICH C. Reliable light weight fastening of magnesium components in automotive applications[C]. SAE World Congress，2004.

[11]盧海波，李滿良，袁海波，等.鋁合金螺栓的特點(diǎn)及在國(guó)外汽車行業(yè)的應(yīng)用[C].中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)汽車材料分會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)，2014.

[12]VDI 2230 Part 1.高強(qiáng)度螺栓連接的系統(tǒng)計(jì)算規(guī)范[S].德國(guó)工程師協(xié)會(huì)，2015.

[13]趙喆. 鋁合金螺栓的研制及其在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2018，031（003）：161-163，171.