汽車螺紋緊固件防腐性能分析與提升

閆柱，王慶國，王凱，余超

摘要：針對汽車螺紋緊固件銹蝕問題，主要研究與分析導致螺紋緊固件銹蝕的主要原因，并針對原因有針對性地提出了改進措施與方法。

關鍵詞：螺紋緊固件；銹蝕；提升

在汽車制造業(yè)中，整車裝配約90%的連接形式采用螺紋聯(lián)接，螺紋聯(lián)接在這里充當了重要的角色。螺紋聯(lián)接具有可拆卸性、聯(lián)接便捷性、使用成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于整車裝配。螺紋聯(lián)接應用如此廣泛，其聯(lián)接的裝配質(zhì)量直接關系到產(chǎn)品的安全性與和可靠性。近年來市場投訴問題統(tǒng)計中，作為整車使用零件最多、分布最廣的螺紋緊固件銹蝕問題也是經(jīng)常被投訴的問題之一，其耐腐蝕性愈受各大主機廠的重視。

商用車因其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、存儲及轉(zhuǎn)運均不同于乘用車，使用環(huán)境、工況均比乘用車更加惡劣。本文主要從商用車螺紋緊固件的銹蝕機理進行分析與研究，并制定對應的整改措施。

汽車螺紋緊固件銹蝕問題

汽車螺紋緊固件銹蝕主要為車輛底盤部分銹蝕，如車架安裝螺栓和螺母頭部銹蝕、焊接螺柱螺紋部分銹蝕（見圖1），對新下線車輛抽查過程中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)部分緊固件邊緣破壞銹蝕（見圖2），銹蝕的部位起始點大部分發(fā)生在緊固件裝配六角面對邊和六角頭邊緣部位，內(nèi)十字槽螺釘銹蝕也發(fā)生在十字槽邊緣部位。

汽車螺紋緊固件銹蝕機理分析與研究

1.螺紋緊固件表面處理選用

商用車緊固件常用的表面處理方式有鍍鋅彩虹色鈍化、達克羅處理等多種形式，綜合使用部位鹽霧要求、成本控制、裝配便利性等因素，合理選取表面保護形式。根據(jù)企業(yè)標準要求，要求8級以上的底盤緊固件表面處理方式優(yōu)先選用鍍鋅彩虹鈍化處理，電鍍鋅處理鍍鋅層硬度為25～60HV，耐鹽霧試驗為200h，但是當緊固件電鍍鋅層受損后，車輛存儲期間易產(chǎn)生銹蝕。

同時發(fā)現(xiàn)底盤件焊接螺柱普遍銹蝕問題。通過研究分析，發(fā)現(xiàn)引起焊接螺柱銹蝕主要因為焊接螺柱為裝配件，為避免螺紋部分因噴漆導致裝配困難問題，涂裝過程對其螺紋部分進行防護，焊接螺柱無防銹處理或僅涂油處理，耐腐性不滿足要求從而產(chǎn)生銹蝕。保險杠支架安裝螺栓銹蝕問題如圖3所示，銹蝕原因為設計技術要求對螺紋部分防腐技術要求不明確，在電泳過程中采用防護帽對螺柱進行防護，導致螺柱無表面防護而產(chǎn)生批量性銹蝕。后期將此處的焊接螺柱表面處理優(yōu)化為鍍鋅彩虹鈍化，解決了此處焊接螺柱批量性銹蝕問題。

2.汽車螺紋緊固件系列化、平臺化選用

產(chǎn)品設計過程中，不同的設計者未完全按照系列化、平臺化原則進行選用，相同/類似部位的焊接螺柱規(guī)格不一致，在車輛裝配過程中，使用相同的螺母進行裝配，導致螺柱螺紋部分表面防護層破損導致銹蝕。例如：某支架安裝螺柱，設計者選用的螺紋規(guī)格既有M10×1.5mm，又有M10×1.25mm，但是與之相配合的螺母螺距為M10×1.25mm，工人在裝配過程中因螺距不匹配損壞螺紋鍍層導致后期銹蝕，如圖4所示。

3.汽車螺紋緊固件裝配空間設計

產(chǎn)品設計過程中主要存在未充分考慮安裝空間及人機工程，導致車輛裝配過程操作困難導致的銹蝕問題[1]，主要有以下3個方面典型因素：

1）安裝空間設計不合理，在產(chǎn)品設計階段未充分考慮裝配工序及工具對裝配空間的需求，緊固件周邊空間過小，工具頭部或者套筒與周邊零件干涉。根據(jù)企業(yè)標準，工具可以傾斜2～3?進行裝配，但是不垂直擰緊則會引起裝配時零件表面損傷。

2）設計階段未充分考慮人機操作便利性，設計的緊固點位置在密閉空間或操作人員裝配過程無法看見，需要進行盲裝操作。此類情況在裝配過程中工具與緊固件定位困難，也易在裝配過程中損傷緊固件裝配面。

3）積水的影響，在處理銹蝕問題過程中發(fā)現(xiàn)部分緊固件從下向上穿，在洗車或者下雨過程中，在螺母和螺栓螺紋結(jié)合部位會有少量積水，結(jié)合部位長期在積水腐蝕的作用下，緊固件以螺母與螺柱結(jié)合部位為起點開始銹蝕。

4.汽車螺紋緊固件裝配過程管控

目前商用車領域緊固件常用的裝配工藝一般性能要求采用力矩裝配，關鍵部位采用力矩+轉(zhuǎn)角裝配，如車輛輪胎螺母裝配。使用的裝配工具有：扭力扳手、氣動扳手、電動扳手及多軸擰緊機。根據(jù)現(xiàn)有工藝條件及經(jīng)濟性原則，在商用車領域各大主機廠，一般擰緊部位基本采用風動工具預緊+扭力扳手緊固的擰緊策略。由于氣動工具裝配速度高，瞬間的沖擊力大，裝配速度高時裝配工具會損壞裝配零件的原表面涂層。

套筒長期使用過程中內(nèi)壁磨損導致套筒與緊固件安裝面存在的一定的間隙，在擰緊初期，在瞬間的高速沖擊下，緊固件自轉(zhuǎn)與套筒內(nèi)壁摩擦導致緊固件表面涂層損壞導致后期銹蝕。

5.螺紋緊固件表面處理質(zhì)量

緊固件表面處理質(zhì)量也是影響防腐的一個重要因素，對表面處理質(zhì)量也進行了檢測，主要從表面粗糙度、鍍層厚度及鹽霧試驗三方面評價。

在緊固件加工過程中主要影響緊固件裝配過程受損的工序為零件冷鐓和表面處理。零件如果產(chǎn)生毛刺，在裝配及轉(zhuǎn)運過程中毛刺部位與裝配工具接觸直接使表面涂層失效，或者緊固件堆積導致毛刺脫落，零件漏底導致防腐性能降低。

零件表面處理過程的穩(wěn)定可以確保零件表面涂鍍層厚度一致，鍍層結(jié)合力可靠，從而降低裝配工具對涂鍍層的損壞。但是根據(jù)試驗結(jié)果，鍍層厚度及鹽霧試驗結(jié)果反饋，鍍層厚度及部分緊固件鹽霧試驗結(jié)構(gòu)不合格，引起銹蝕。例如底盤使用的3級防腐要求的螺栓鍍層厚度為15～25μm，根據(jù)實際測量結(jié)果僅部分螺栓鍍層厚度滿足要求。同時對易銹蝕件進行100h的5%濃度中性鹽霧試驗，根據(jù)試驗結(jié)果反饋存在密集型銹蝕，鹽霧試驗不合格。

防腐性能提升措施

根據(jù)上述原因分析，引起螺紋緊固件銹蝕是一個系統(tǒng)性問題，主要有設計空間結(jié)構(gòu)不合理、表面處理選用、裝配過程中工具磨損及螺紋緊固件自身表面處理質(zhì)量四個方面。針對原因，制定針對性的措施提升汽車螺紋緊固件耐腐蝕性。

1）針對設計原因?qū)е碌匿P蝕，按照系列化、平臺化原則在汽車設計階段建立緊固件選用標準及緊固件正向開發(fā)流程，減少緊固件種類和數(shù)量。按照DFA方法在工藝同步工程對工具的操作空間及人機操作進行虛擬仿真，減少因設計選用及結(jié)構(gòu)引起的銹蝕問題。

2）車輛裝配過程中定期開展工具磨損情況的檢查與更換。對擰緊部位分類分級，對關鍵重要部位采用液壓脈沖工具或電動工具進行擰緊。

3）緊固件表面質(zhì)量管控，主機廠一般是緊固件專業(yè)廠家直接采購緊固件，使用量大，不可能100%進行入廠檢驗。因此緊固件表面處理、鍍層厚度及耐鹽霧等參數(shù)檢驗一般按照一定比例進行抽檢。如果要進一步控制入廠檢測，主機廠可采取提高抽檢頻次的辦法對緊固件的質(zhì)量進行控制。

4）針對裝配過程中螺紋緊固件不可避免的表面處理破損問題，在車輛入庫前增加底盤整噴工序，對車輛底盤噴水性蠟，對損壞部位進行防護。水性蠟固化后，形成無色透明的硬質(zhì)膜，外觀優(yōu)于溶劑型防銹蠟。相對于電泳單涂層工藝，水性蠟與電泳漆復合涂層的耐老化性能、防銹性能得到了顯著提升。同時，水性蠟具備常溫快速干燥和固化的施工性能，適合流水線生產(chǎn)，也可解決傳統(tǒng)溶劑型產(chǎn)品的安全、環(huán)保問題[2]。

結(jié)語

螺紋緊固件批量應用在車輛連接，提高其耐腐蝕性不僅直接關乎車輛外觀造質(zhì)量，更是對緊固件的緊固效果甚至車輛的可靠性有著重要的影響。本文主要針對汽車螺紋緊固件在表面處理選用、設計空間結(jié)構(gòu)合理性、裝配過程及緊固件自身表面處理質(zhì)量問題四個方面進行了原因分析，闡述了導致緊固件銹蝕的主要因素針對原因制定對應的措施，以達到提高車輛外觀質(zhì)量及可靠性的目的。

參考文獻：

[1] 王軍民，劉爍埼，曹文祥.結(jié)構(gòu)設計致螺栓銹蝕故障分析[J].技術與市場，2021，28（10）：103-104.

[2] 馬振寧，張國政.新型水基型蠟在商用車底盤上的應用研究[J].汽車材料與涂裝，2020（6）：135-137.