汽車緊固件常見問題及預(yù)防措施的研究

梁成成

(山西工程職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，山西太原 030009)

0 引言

緊固件是一種量大面廣的基礎(chǔ)性元件，憑借其產(chǎn)品種類多、性價(jià)比高、拆裝簡(jiǎn)單方便、利于檢修、互換性好、可以增加預(yù)緊力防松等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于包括汽車在內(nèi)的各種機(jī)械產(chǎn)品和裝備。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在一部轎車上平均每車用緊固件約為3 500個(gè)，種類大概500種。一顆小小的螺栓幾乎微乎其微，但本身作用非常大，根據(jù)最近公布的數(shù)據(jù)，汽車行業(yè)23%的維修問題是由緊固件松脫引起的，12%的新車存在螺紋緊固件松緊度不達(dá)標(biāo)的問題，可見汽車緊固件對(duì)整車品質(zhì)和可靠性有很重要的影響。

汽車緊固件按照其使用的重要程度可分為關(guān)鍵緊固件、重要緊固件和一般緊固件。關(guān)鍵緊固件和重要緊固件起著連接汽車關(guān)鍵部位的作用，一旦失效直接影響汽車的功能和安全性，如零件功能下降或者喪失、汽車安全性能降低等。緊固件出現(xiàn)問題的原因是多方面的，對(duì)緊固件產(chǎn)品常見的問題及預(yù)防措施的研究，是緊固件制造企業(yè)和使用單位面臨的重要問題，同時(shí)也具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

1 汽車緊固件常見的質(zhì)量問題及預(yù)防措施

在汽車生產(chǎn)和使用過(guò)程中，因緊固件失效而導(dǎo)致的問題頻次相對(duì)較高，通過(guò)走訪調(diào)研國(guó)內(nèi)多家汽車主機(jī)廠，對(duì)汽車緊固件在裝車前、裝車時(shí)和裝車使用后出現(xiàn)的失效模式和發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)緊固件失效原因進(jìn)行了相應(yīng)分類。緊固件常見問題及發(fā)生概率如圖1所示。

圖1 緊固件常見問題及發(fā)生概率

根據(jù)多家汽車主機(jī)廠數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，汽車緊固件常見的失效類型為混料問題、疲勞斷裂、熱處理問題、表面處理問題、過(guò)載斷裂等形式。

1.1 混料問題

緊固件混料是指兩種或兩種以上的緊固件產(chǎn)品，因各種異常因素影響，導(dǎo)致產(chǎn)品相互混淆的情況?；炝蠁栴}是一種比較低級(jí)的問題，對(duì)于很多緊固件生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)，卻又是一個(gè)很常見，但又難以完全控制的問題。汽車緊固件因?yàn)榛炝蠁栴}，對(duì)于客戶來(lái)說(shuō)，輕則造成線邊缺料、汽車生產(chǎn)線中斷，重則導(dǎo)致汽車召回返工；而對(duì)于緊固件廠家來(lái)說(shuō)，需要對(duì)客戶端和自己庫(kù)存件進(jìn)行返工，如有需要，還得加急生產(chǎn)客戶急缺的某種緊固件，這樣既使廠家形象受損，又需耗費(fèi)大量的人力和財(cái)力。

引起緊固件混料的原因主要有：

(1)原材料因?yàn)橐?guī)格相似或者標(biāo)示錯(cuò)誤，導(dǎo)致發(fā)錯(cuò)或者用錯(cuò)料。

(2)廠家在緊固件生產(chǎn)或委外加工過(guò)程中，因?yàn)檎{(diào)機(jī)或者相鄰工序相應(yīng)半成品未清理干凈導(dǎo)致混料。

(3)緊固件成品在包裝、儲(chǔ)存或者外發(fā)過(guò)程中，因?yàn)楣芾聿划?dāng)造成混料。

針對(duì)以上原因，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，可以采取以下預(yù)防措施：

(1)所有的緊固件原材料標(biāo)識(shí)必須清楚明確；規(guī)格相近的原材料不能放在相鄰的位置；領(lǐng)取原材料時(shí)，要嚴(yán)格按照《領(lǐng)料單》對(duì)原材料材質(zhì)及規(guī)格的要求，防止領(lǐng)料錯(cuò)誤。

(2)緊固件制造現(xiàn)場(chǎng)按照工藝流程進(jìn)行規(guī)范劃分，原材料存放區(qū)、待檢區(qū)、合格品區(qū)、廢品區(qū)使用不同顏色的筐料筐并按劃分好的區(qū)域采取定制管理，定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)5S檢查。

每個(gè)品種、每個(gè)批次及每個(gè)料筐均需要采用工藝流轉(zhuǎn)卡進(jìn)行標(biāo)識(shí)和追溯。工藝流轉(zhuǎn)卡內(nèi)容應(yīng)包含原材料牌號(hào)、爐號(hào)、產(chǎn)品名稱、圖號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào)、日期、操作者簽字、檢驗(yàn)記錄、檢驗(yàn)員簽字等詳細(xì)信息，以便隨時(shí)可以進(jìn)行追溯。產(chǎn)品周轉(zhuǎn)過(guò)程中，必須檢查料筐是否清理干凈，必要時(shí)空筐倒置擺放。

(3)倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)的所有產(chǎn)品，都要采用固定的包裝箱及包裝袋，包裝箱上標(biāo)有產(chǎn)品的詳細(xì)信息，如產(chǎn)品名稱、圖號(hào)、生產(chǎn)批次號(hào)、生產(chǎn)日期、包裝日期、包裝數(shù)量等；每個(gè)料架都要進(jìn)行相應(yīng)的編號(hào)，并導(dǎo)入MES系統(tǒng)中以便管理。

1.2 疲勞斷裂

疲勞斷裂是汽車緊固件常出現(xiàn)的質(zhì)量問題之一，疲勞斷裂時(shí)緊固件外觀沒有明顯的征兆，大多是在無(wú)預(yù)警且不可預(yù)期的情況下發(fā)生的，一旦發(fā)生將損失嚴(yán)重。很多緊固件在服役期間會(huì)承受拉-拉、拉-壓、彎曲、旋轉(zhuǎn)彎曲、扭轉(zhuǎn)彎曲等交變載荷的作用，在交變載荷作用下緊固件將會(huì)發(fā)生疲勞斷裂。緊固件發(fā)生疲勞斷裂的位置，一般集中在螺紋與螺桿交匯處、螺栓頭下角過(guò)渡處及螺紋嚙合的第一顆牙紋處，這些部位是緊固件的危險(xiǎn)截面，疲勞源常產(chǎn)生于此。對(duì)發(fā)生疲勞斷裂的緊固件進(jìn)行失效分析發(fā)現(xiàn)，疲勞斷裂的原因往往和緊固件制造缺陷有關(guān)，如螺栓頭下角較小、過(guò)渡不平滑有折點(diǎn)、螺紋牙根處不圓滑、螺栓桿部表面缺陷等，除此之外，疲勞斷裂原因也與原材料、裝配連接不當(dāng)?shù)纫蛩赜嘘P(guān)系。

一般情況下，發(fā)生疲勞斷裂的緊固件宏觀斷口上沒有明顯的變形，呈現(xiàn)脆性斷口形貌，其典型形貌包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。某35CrMo材質(zhì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，因裝配預(yù)緊力不夠，導(dǎo)致其在使用期間受到一定次數(shù)交變載荷作用而發(fā)生疲勞斷裂，螺栓斷口的宏觀形貌和疲勞條帶如圖2所示。

圖 2 螺栓斷口的宏觀形貌和疲勞條帶

由圖2(a)可知，疲勞斷口宏觀形貌包括疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。疲勞源區(qū)有向外輻射的疲勞臺(tái)階和放射棱線，一般位于疲勞弧線的中心；疲勞擴(kuò)展區(qū)斷面較平坦，斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線，疲勞弧線的數(shù)量和間距主要與載荷的交變次數(shù)及交變應(yīng)力的振幅有關(guān)；瞬斷區(qū)面積大小取決于載荷的大小、材料的性質(zhì)及環(huán)境介質(zhì)等因素，瞬斷區(qū)面積較小，僅占整個(gè)斷面面積的20%左右，符合低應(yīng)力高周疲勞斷裂特征。疲勞斷裂的主要微觀特征是疲勞條帶，其位于疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，如圖2(b)所示，該疲勞條帶屬于韌性疲勞條帶，是一系列基本平行且稍微彎曲的條紋，與裂紋擴(kuò)展方向基本垂直，理論上講，每一條疲勞條帶代表一次應(yīng)力循環(huán)，疲勞條帶在數(shù)量上與應(yīng)力循環(huán)次數(shù)應(yīng)當(dāng)相等。

通常情況下，可以采取如下措施預(yù)防疲勞斷裂：

(1)合理選擇緊固件材質(zhì)，避免原材料中存在氣孔、夾雜等缺陷，盡量選擇晶粒細(xì)化的材料，有助于提高疲勞強(qiáng)度。

(2)合理設(shè)計(jì)緊固件結(jié)構(gòu)，盡量減少應(yīng)力集中，適當(dāng)加大應(yīng)力集中處的圓角半徑，避免尖角，適當(dāng)加大危險(xiǎn)截面尺寸。

(3)改善加工工藝，降低零件表面粗糙度，盡量避免劃傷和剮痕等表面缺陷。

(4)采取諸如滾壓強(qiáng)化等表面強(qiáng)化措施，提高緊固件螺紋連接的疲勞強(qiáng)度。

1.3 熱處理問題

緊固件常見的熱處理問題如圖3所示。

圖3 緊固件常見的熱處理問題

為了使汽車緊固件滿足一定的強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性等綜合力學(xué)性能指標(biāo)，通常需要對(duì)8.8級(jí)以上的高強(qiáng)度汽車緊固件進(jìn)行熱處理。汽車緊固件的熱處理又稱調(diào)質(zhì)處理(淬火+高溫回火)，原材料、爐內(nèi)溫度、爐內(nèi)氣氛、熱處理時(shí)間、淬火介質(zhì)等因素都會(huì)對(duì)熱處理產(chǎn)生影響?，F(xiàn)在絕大部分汽車緊固件的熱處理設(shè)備都是電子控制網(wǎng)帶式連續(xù)爐，加熱溫度、保溫時(shí)間、冷卻時(shí)間、加工量等參數(shù)都是按一定的工藝要求，進(jìn)行程序自動(dòng)控制。隨著熱處理設(shè)備越來(lái)越先進(jìn)，熱處理工藝越來(lái)越完善，現(xiàn)在大部分熱處理常見問題已得到很好解決。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某主機(jī)廠螺紋緊固件的熱處理問題，絕大多數(shù)是因淬火裂紋引起的產(chǎn)品開裂或失效，淬火裂紋產(chǎn)生的原因復(fù)雜多樣，以下通過(guò)幾個(gè)典型的案例，探究幾種淬火裂紋產(chǎn)生的原因及預(yù)防措施。

案例一：緊固件原材料缺陷原因造成的淬火裂紋

圖4為緊固件原材料缺陷造成的成品淬火裂紋。

圖4 緊固件原材料缺陷造成的淬火裂紋

原因分析：緊固件原材料本身存在微裂紋，在熱處理過(guò)程中由于金屬晶格的分解與重組，以及急冷急熱引起的熱脹冷縮均會(huì)造成原材料微裂紋的大幅擴(kuò)展，從而使產(chǎn)品完全失效。

預(yù)防措施：①原材料入庫(kù)檢驗(yàn)時(shí)采用低倍放大鏡抽樣檢查；②嚴(yán)格控制原材料，進(jìn)行去料頭、去料尾處理。

案例二：熱處理毛坯件形狀不規(guī)則引起的淬火裂紋

圖5為毛坯件形狀不規(guī)則引起的淬火裂紋。該毛坯件形狀不規(guī)則，且其加工工藝為先鉆孔，然后攻絲，最后熱處理。

圖5 毛坯件形狀不規(guī)則引起的淬火裂紋

原因分析：①熱處理毛坯件外形不規(guī)則，造成毛坯的最薄弱處出現(xiàn)高度應(yīng)力集中；②先鉆孔再攻絲最后熱處理的加工工藝，會(huì)引起淬火應(yīng)力集中在孔兩側(cè)最薄弱處，造成淬火裂紋。

預(yù)防措施：①對(duì)毛坯件的外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，消除應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)；②優(yōu)化加工工藝流程，將鉆孔、攻絲等工序放在熱處理后進(jìn)行，消除應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。

案例三：毛坯件金相組織過(guò)燒引起的淬火裂紋

圖6為毛坯件金相組織過(guò)燒引起的淬火裂紋。

圖6 毛坯件金相組織過(guò)燒引起的淬火裂紋

原因分析：該緊固件頭部為熱鍛成形，因生產(chǎn)廠家原有熱鍛加熱設(shè)備落后，造成加熱區(qū)域組織存在過(guò)燒的缺陷，奧氏體結(jié)晶顆粒變得粗大化，導(dǎo)致淬火后形成粗大針狀馬氏散體而脆化，此種缺陷金相組織易出現(xiàn)馬氏散體裂痕，裂痕經(jīng)高頻淬火后出現(xiàn)大面積擴(kuò)展。

預(yù)防措施：改進(jìn)熱鍛加熱處設(shè)備，控制熱鍛的加熱時(shí)間與溫度，消除工件過(guò)熱、過(guò)燒對(duì)金相組織的影響。

1.4 表面處理

在表面處理過(guò)程中，表面處理不當(dāng)導(dǎo)致的緊固件氫脆問題是一類不可忽視的嚴(yán)重缺陷，在此重點(diǎn)討論氫脆對(duì)鍍鋅緊固件的影響及預(yù)防措施。

氫脆，又稱氫致開裂，是氫原子侵入并擴(kuò)散到整個(gè)金屬基體中，而進(jìn)入基體中的氫原子相互聚合產(chǎn)生氫分子,在氫聚集之處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,當(dāng)集中的應(yīng)力超過(guò)基體材料的強(qiáng)度極限時(shí)就會(huì)導(dǎo)致斷裂，因氫的聚集需要一定時(shí)間，故氫脆往往表現(xiàn)為一定的延遲斷裂。

某42CrMo材質(zhì)銷軸，在使用過(guò)程中，在其第四牙螺紋處發(fā)生斷裂，該短軸加工成形后最終采用表面鍍鋅處理。圖7(a)為脆斷軸斷口的宏觀形貌，斷口無(wú)塑性變形，有放射線花樣，裂紋起源處表面粗糙呈人字形，裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口齊平，呈瓷質(zhì)點(diǎn)狀，屬于典型的脆性斷口;對(duì)斷裂斷口起源處用SEM(掃描電子顯微鏡)進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)其呈韌性斷裂特性，如圖7(b)所示；對(duì)該處進(jìn)行放大，可見表面有雞爪狀撕裂棱和晶間二次裂紋，如圖7(c)所示；對(duì)該處再放大，可見等軸韌窩形貌，如圖7(d)所示。對(duì)瞬斷區(qū)進(jìn)行SEM掃描觀察，發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)典型沿晶斷裂，斷口上有二次裂紋及顯微孔洞，晶界棱線清楚，晶界面光滑，如圖7(e)和7(f)所示，符合氫脆沿晶斷裂特征。

圖7 氫脆斷裂斷口的宏觀和微觀形貌

氫脆實(shí)際上是由于電鍍酸洗過(guò)程中，氫元素滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷，氫脆斷裂是高強(qiáng)度緊固件比較常見的一種失效形式，因氫脆引發(fā)的斷裂發(fā)生得很突然，并沒有事先警告，其造成的后果是很嚴(yán)重的，因此對(duì)于氫脆的預(yù)防很有必要。

針對(duì)氫脆問題，可以采取的預(yù)防措施如下：

(1)優(yōu)化緊固件表面處理工藝，盡可能采用不需要接觸氫環(huán)境的工藝，如采用鋅鋁涂覆(達(dá)克羅處理)，取代表面鍍鋅工藝。

(2)緊固件經(jīng)電鍍處理后需要進(jìn)行去氫處理，電鍍后應(yīng)盡快去除氫，防止氫向零件基體內(nèi)部擴(kuò)散。原則上要求在電鍍后1 h內(nèi)，不低于3 h進(jìn)行除氫處理，去氫溫度一般要控制在180～200 ℃，保溫時(shí)間視具體零件控制在1～24 h。

1.5 過(guò)載斷裂

緊固件過(guò)載斷裂是指緊固件所承受的軸向負(fù)載超過(guò)其強(qiáng)度所允許承載極限而引起的瞬間斷裂。對(duì)于常用的螺栓、螺釘?shù)绕嚲o固件，常見的過(guò)載斷裂位置一般位于靠近螺母支撐面的第一扣螺紋處，此部位應(yīng)力變化大、應(yīng)力面積小、應(yīng)力水平較桿部大。此外，螺栓頭部角過(guò)渡處因?yàn)閼?yīng)力較集中，也是過(guò)載斷裂高發(fā)位置。

過(guò)載斷裂一般表現(xiàn)為韌性過(guò)載斷裂和脆性過(guò)載斷裂兩種形式，塑性良好的緊固件在裝配和使用過(guò)程中，受到拉伸、扭轉(zhuǎn)、剪切或沖擊等較大應(yīng)力時(shí)，一般發(fā)生韌性過(guò)載斷裂。某40Cr材質(zhì)10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓，在裝配時(shí)螺栓螺紋表面接觸到油脂，導(dǎo)致其摩擦因數(shù)變小，在正常扭矩值范圍擰緊時(shí)，螺栓所承受軸向力超過(guò)其強(qiáng)度所允許承載極限而發(fā)生韌性過(guò)載斷裂。螺栓發(fā)生韌性斷裂的最顯著特征是在斷裂處出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象，斷口呈現(xiàn)杯錐狀，如圖8(a)所示;宏觀韌性斷口一般表現(xiàn)為斷口表面粗糙，呈現(xiàn)纖維狀，具有肉眼可見的塑性變形，斷口邊緣有呈45°的剪切唇，如圖8(b)所示;韌性斷裂斷口主要微觀特征表現(xiàn)為大量的韌窩，如圖8(c)所示，一般可把微觀斷口上存在的大量韌窩作為判斷緊固件韌性過(guò)載斷裂的重要依據(jù)。

圖8 過(guò)載斷裂斷口的宏觀和微觀形貌

一般來(lái)說(shuō)，引起汽車緊固件過(guò)載斷裂的主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)緊固件所用的原材料強(qiáng)度不夠。

(2)緊固件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易造成應(yīng)力分布不均。

(3)緊固件原材料或冷熱加工工藝存在缺陷，引起緊固件內(nèi)部應(yīng)力集中。

(4)緊固件裝配擰緊時(shí)，施加的扭矩值過(guò)大，預(yù)緊力超過(guò)了其承受能力。

(5)緊固件在使用期間承受了非正常超載載荷。

針對(duì)以上原因，可以采取如下措施預(yù)防過(guò)載斷裂問題：

(1)合理選擇緊固件材質(zhì)，保證緊固件能達(dá)到足夠的強(qiáng)度。

(2)合理設(shè)計(jì)緊固件結(jié)構(gòu)，使其在承受載荷時(shí)應(yīng)力分布合理，避免局部應(yīng)力集中引起過(guò)載斷裂。

(3)嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，改善冷熱加工工藝，提高冷熱加工質(zhì)量，預(yù)防材質(zhì)和加工存在缺陷。

(4)緊固件裝配時(shí)，嚴(yán)格按照裝配作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行，關(guān)鍵零部件裝配應(yīng)采用定扭扳手，防止裝配應(yīng)力過(guò)大。

(5)緊固件使用期間，避免緊固件超載應(yīng)力出現(xiàn)。

2 結(jié)束語(yǔ)

文中主要討論了汽車主機(jī)廠緊固件常見的幾類質(zhì)量問題，通過(guò)個(gè)別案例，結(jié)合文獻(xiàn)知識(shí)、工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這幾類問題產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施分別進(jìn)行了討論分析。分析結(jié)果能夠給主機(jī)廠和緊固件生產(chǎn)廠家相關(guān)工作人員提供一定的指導(dǎo)和幫助，從源頭上遏制這幾類問題的發(fā)生，從而提高整車質(zhì)量。