制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件的要點(diǎn)

郭引剛 江 暢 陸恒昌 張行杰 胡春東

(1.寧波敏達(dá)機(jī)電有限公司，浙江 寧波 315800; 2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

緊固件是基礎(chǔ)件之一，作用非常重要。在汽車行業(yè)，緊固件是各零部件的連接件，同樣具有至關(guān)重要的作用[1-3]。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車的核心，其服役條件非?？量?，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋螺栓、曲軸主軸承蓋螺栓、曲軸皮帶輪螺栓、連桿螺栓及飛輪螺栓等是最關(guān)鍵的5大緊固件，其質(zhì)量關(guān)系到汽車的性能穩(wěn)定和安全性[4-6]。發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件的制造工藝(包括材料及制造過程的控制等)反映了汽車緊固件的水平。但是，目前我國(guó)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件的制造工藝及材料均未完全實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，受中美貿(mào)易摩擦及疫情的影響極大。在此背景下，推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件的國(guó)產(chǎn)化是緊固件制造業(yè)的目標(biāo)和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合企業(yè)積累的經(jīng)驗(yàn)提出了發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件制造的控制要點(diǎn)和要求，以供同行借鑒。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件的質(zhì)量控制涵蓋了從原材料生產(chǎn)到最終成品的全過程，基本生產(chǎn)工藝為：冶煉→軋制→原材料改制→冷鐓→熱處理→搓絲→穩(wěn)定化處理→表面處理→分選包裝。

1 原材料生產(chǎn)及國(guó)內(nèi)外材料對(duì)比

發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件原材料的基本生產(chǎn)工藝過程為：鐵水預(yù)處理(KR)→轉(zhuǎn)爐煉鋼(BOF)→LF→RH/VD→大方坯連鑄→開坯→修磨→探傷→修磨→軋制。煉鋼過程控制的重點(diǎn)為雜質(zhì)、偏析、晶粒度、成分均勻性和一致性及氧氮?dú)浜康?；軋制過程重點(diǎn)控制表面質(zhì)量(避免劃傷和裂紋)、脫碳層、尺寸精度、氧化皮、料頭和料尾修剪量、顯微組織(避免魏氏組織)及冷頂鍛性能等。關(guān)鍵緊固件對(duì)耐氫致延遲斷裂性能有較高的要求，因此要求合金具有適當(dāng)?shù)臍湎葳錥7]。目前合資品牌汽車高強(qiáng)度緊固件原材料以JIS標(biāo)準(zhǔn)為主，常用材料為SCM435鋼，國(guó)內(nèi)采用日本某知名鋼廠的材料居多。表1對(duì)比了國(guó)內(nèi)外不同鋼廠SCM435鋼的生產(chǎn)流程，可見為了確保原材料的質(zhì)量，RH/VD精煉和鑄坯質(zhì)量的控制是基本要求。

表1 不同鋼廠關(guān)鍵緊固件用SCM435鋼的生產(chǎn)流程

對(duì)于成分的均勻性和一致性，統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外不同鋼廠不同批次SCM435鋼原材料成分的波動(dòng)，如圖1所示。圖1表明：對(duì)于含碳量，日本某鋼廠控制在4個(gè)組距內(nèi)，國(guó)內(nèi)A鋼廠控制3個(gè)組距，B鋼廠的碳組距為5個(gè)，因此國(guó)內(nèi)不同鋼廠含碳量的控制水平不同。相比較，日本某鋼廠對(duì)Mn、S及P含量的控制范圍較寬，對(duì)殘余元素Cu和Ni的控制較嚴(yán)，且Cr和Mo控制在上限。

圖1 不同鋼廠的成分波動(dòng)

原材料在運(yùn)輸過程中難免發(fā)生磕碰，為了保證材料的表面質(zhì)量，除了原材料生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，盤圓的包裝也十分重要。表2列出了關(guān)鍵緊固件用盤圓的基本包裝要求。

表2 關(guān)鍵緊固件用鋼盤圓的包裝要求

2 材料改制及控制要點(diǎn)

由于尺寸和表面狀態(tài)的原因，熱軋盤圓必須經(jīng)過改制才能用于緊固件生產(chǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件用材料的改制工藝為PASAIP。材料改制的控制重點(diǎn)包括毛坯尺寸的選擇、球化工藝、脫碳、磷化皮膜及表面質(zhì)量等。為了滿足緊固件冷鐓的要求，除了合理的球化工藝外，表面質(zhì)量的控制十分關(guān)鍵。為此，材料外觀要求無劃傷、壓傷、彎曲、氧化皮殘留及銹斑等缺陷。常見的表面缺陷如圖2所示。

圖2 熱軋盤圓改制過程常見的表面缺陷

對(duì)于改制后的材料包裝，要求每卷材料用纏繞膜，每件材料使用線架放置及流轉(zhuǎn)，線架之間疊加時(shí)使用墊板防護(hù)。包裝的控制要點(diǎn)包括使用纏繞膜、線架、防護(hù)墊板，線頭要用膠帶捆綁防護(hù)。

材料的運(yùn)輸同樣需要防護(hù)，控制要點(diǎn)為：材料疊加時(shí)，材料間要用防護(hù)墊板保護(hù)；用行車搬運(yùn)材料時(shí)，上車時(shí)要注意線架角不能碰撞材料。另外，疊放時(shí)線架頂部不能擠壓材料，裝車時(shí)需用雨布覆蓋防護(hù)。

3 緊固件制造

與普通標(biāo)準(zhǔn)件相比，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件對(duì)材料、冷鐓成型工藝、模具、設(shè)備、作業(yè)規(guī)范、檢測(cè)能力、熱處理管控、搓絲管控及表面處理等的要求更高、更嚴(yán)格。

3.1 成形工藝

緊固件成形需要多工位配合使線材逐步變形，制得最終的坯件。成形工藝的設(shè)計(jì)對(duì)高強(qiáng)度緊固件尤為重要，設(shè)計(jì)不合理(尤其是頭下R角)會(huì)導(dǎo)致緊固件流線不良，影響最終的強(qiáng)度和疲勞壽命。成形工藝的設(shè)計(jì)需借助CAE進(jìn)行分析。

3.2 模具

制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件的模具要有高精度及合適的硬度、耐磨性和韌性。模具設(shè)計(jì)應(yīng)與成形工藝配合，避免模具局部受力過大，影響使用壽命。成形工藝與模具的匹配、模具的加工尺寸和精度、模具硬度、使用過程中的潤(rùn)滑及保養(yǎng)等因素得到控制，才能保證模具的使用壽命。

3.3 設(shè)備

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件的加工精度要求很高，加工設(shè)備的精度和穩(wěn)定性很重要。生產(chǎn)設(shè)備要有完整的管理制度，包括設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)、檢定等均要有明確的規(guī)定。目前制造發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件的設(shè)備主要依賴進(jìn)口。

3.4 作業(yè)規(guī)范

對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件產(chǎn)品一致性的要求很高，在現(xiàn)有工藝得到保障的情況下，需對(duì)尺寸進(jìn)行嚴(yán)格管控。需要有規(guī)范的作業(yè)指導(dǎo)書，對(duì)需要控制的尺寸規(guī)定檢查的要點(diǎn)、方法和接收標(biāo)準(zhǔn)，并規(guī)定對(duì)應(yīng)的處理辦法。作業(yè)文件傳遞需流暢，以保證設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)使用的文件正確、統(tǒng)一、完整，且狀態(tài)受控。

3.5 檢測(cè)能力

緊固件尺寸和形位公差的檢測(cè)需選用具有所需精密度的設(shè)備，以確保檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。定期對(duì)測(cè)量工具和測(cè)量設(shè)備進(jìn)行確認(rèn)、校準(zhǔn)，以避免檢驗(yàn)數(shù)據(jù)失真。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件涉及多種尺寸和形位公差，必要時(shí)需與客戶統(tǒng)一檢測(cè)方式和檢測(cè)工具，減少測(cè)量誤差，避免誤判。

3.6 熱處理過程管控

調(diào)質(zhì)處理是高強(qiáng)度緊固件獲得良好力學(xué)性能的關(guān)鍵工序，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度緊固件必須具備先進(jìn)的熱處理工藝過程控制方法。發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件的基本熱處理流程為上料→脫脂→去磷→清洗→淬火→脫脂→回火→冷卻→下料。熱處理工藝過程對(duì)時(shí)間、溫度、碳勢(shì)控制及淬火介質(zhì)都有嚴(yán)格要求。目前廣泛采用連續(xù)式控制氣氛網(wǎng)帶爐，并要求密封性好、有先進(jìn)的氣氛保護(hù)、溫度等參數(shù)的自動(dòng)控制及自動(dòng)報(bào)警功能，以保證質(zhì)量穩(wěn)定。另外還需要RX爐進(jìn)行爐外裂解控制碳勢(shì)。目前熱處理設(shè)備以進(jìn)口為主，緊固件生產(chǎn)廠對(duì)爐子有特殊要求。

為了保證產(chǎn)品的壽命，防止在熱處理中出現(xiàn)磷聚集層，必須在加熱前去磷處理，保證材料表面沒有磷層。去磷后需清洗，以去除工件表面的去磷藥液，保證熱處理后產(chǎn)品潔凈。檢測(cè)熱處理后緊固件的硬度是最簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)手段，但必須保證產(chǎn)品的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、顯微組織、脫碳層、磷聚集層、抗拉的穩(wěn)定性及SPC達(dá)標(biāo)，這些因素控制是保證最后裝配時(shí)產(chǎn)品一致性的關(guān)鍵。

3.7 搓絲過程管控

搓絲就是加工螺紋，工具為固定牙板和移動(dòng)牙板，移動(dòng)牙板帶動(dòng)緊固件移動(dòng)一個(gè)行程即完成螺紋加工。搓絲加工的材料利用率高，生產(chǎn)效率也高于機(jī)加工螺紋。發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件的疲勞壽命與搓絲有非常密切的關(guān)聯(lián)性，采用先熱處理后搓絲的生產(chǎn)工藝能增加螺紋的應(yīng)力，提升疲勞強(qiáng)度的同時(shí)也有利于減少螺紋磕碰。由于是熱處理后搓絲，模具的壽命也關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，所以模具材料及熱處理工藝的選用是關(guān)鍵。另外評(píng)估模具的搓絲壽命，也是控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。

3.8 表面處理過程管控

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度緊固件多用于密閉多油的環(huán)境，裝配后不易腐蝕，通常采用磷化處理，要求磷化膜無紅色氧化斑點(diǎn)，表面為黑色或灰白色，膜層均勻細(xì)致，膜重控制在7.5 g·m-2以上。為滿足磷化膜鹽霧試驗(yàn)要求，通常的做法是涂油和加封閉劑。

由于摩擦因數(shù)直接影響緊固件裝配后的夾緊力，穩(wěn)定的摩擦因數(shù)是裝配穩(wěn)定的基本保障。而摩擦因數(shù)主要受防銹油和封閉劑控制，磷化皮膜不良也會(huì)干擾摩擦因數(shù)。因此表面處理過程管控還需滿足獲得穩(wěn)定摩擦因數(shù)的要求。

3.9 去氫處理

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，當(dāng)螺栓心部或表面硬度高于320 HV時(shí)，應(yīng)檢測(cè)氫脆，以確保氫脆風(fēng)險(xiǎn)可控。如果磷化前處理工序?yàn)樗嵯?，需增加去氫工序以降低氫脆風(fēng)險(xiǎn)。

3.10 產(chǎn)品檢驗(yàn)、包裝及保質(zhì)管理

成品緊固件需檢測(cè)硬度、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、摩擦因數(shù)、螺紋脫碳、顯微組織和延遲斷裂等性能。同時(shí)抽檢尺寸，并采用影像全檢機(jī)檢測(cè)緊固件尺寸，對(duì)無螺紋及斜牙等缺陷進(jìn)行確認(rèn)。緊固件包裝需滿足客戶要求。因磷化產(chǎn)品防腐性能差，應(yīng)密封包裝。對(duì)包裝入庫(kù)產(chǎn)品應(yīng)進(jìn)行保質(zhì)期管理，超過保質(zhì)期仍未使用的物料應(yīng)劃分為呆滯品，并對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，確定產(chǎn)品返工、返修或報(bào)廢，避免存儲(chǔ)過久導(dǎo)致不良品流向客戶。

3.11 關(guān)鍵緊固件的疲勞和裝配驗(yàn)證

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵緊固件在苛刻服役條件下不失效，需滿足一定的疲勞壽命要求，通過S-N曲線評(píng)價(jià)是必要的[8]，如圖3所示。近期在材料國(guó)產(chǎn)化工作中，按相同工藝流程制造，用國(guó)產(chǎn)材料制造的螺栓疲勞極限波動(dòng)較大，不及進(jìn)口材料螺栓。

圖3 螺栓的疲勞S-N曲線

擰緊工藝和裝配驗(yàn)證是緊固件服役性能的重要保障[9-10]。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件要求在塑性域裝配，并滿足多次使用的要求。目前國(guó)內(nèi)只有少數(shù)緊固件生產(chǎn)廠掌握該工藝驗(yàn)證技術(shù)。圖4為某型缸蓋螺栓采用扭矩(30 N·m)+轉(zhuǎn)角法(270°)裝配的驗(yàn)證曲線，可見擰緊后的軸力滿足規(guī)定要求。

圖4 裝配驗(yàn)證曲線

根據(jù)工廠生產(chǎn)實(shí)踐，緊固件制造過程中常見的缺陷列于表3。

表3 緊固件制造過程中常見缺陷

4 結(jié)束語

對(duì)于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件，材料的質(zhì)量和性能穩(wěn)定性是螺栓制造的基礎(chǔ)，也是控制螺栓質(zhì)量的關(guān)鍵。當(dāng)前，緊固件的尺寸、形位公差、抗拉強(qiáng)度等的技術(shù)要求比較容易控制，但能夠滿足屈服強(qiáng)度、摩擦因數(shù)及疲勞強(qiáng)度等指標(biāo)的高穩(wěn)定性和一致性要求的緊固件廠屈指可數(shù)。另外，國(guó)內(nèi)掌握汽車發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件在塑性域裝配及工藝驗(yàn)證技術(shù)的廠家也寥寥無幾。因此，目前發(fā)動(dòng)機(jī)高強(qiáng)度關(guān)鍵緊固件的國(guó)產(chǎn)化需從產(chǎn)業(yè)鏈整體協(xié)作入手，在對(duì)國(guó)內(nèi)材料進(jìn)行充分調(diào)查和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)提高。