铝合金螺栓的研制及其在发动机上的应用*

赵　喆

(广州汽车集团股份有限公司 汽车工程研究院，广东 广州　511434)

0　引　言

汽车轻量化推进使得铝制零件得到越来越广泛应用，但联接技术一直被国际上视为轻量化能否得到实际有效推进的最关键技术。其中，螺接技术是重中之重。原因在于目前采用传统钢制螺栓或螺钉(以下简称钢制螺栓)联接铝制零件所暴露出的技术瓶颈：钢、铝联接导致的电化学腐蚀，以及钢制螺栓与铝制被联接件因热膨胀系数的不一致，当温度变化会导致螺纹联接副的附加应力，增加铝合金的蠕变风险，削弱预紧力的保持能力。上述联接可靠性问题能否得到解决是铝制零部件能否在轻量化中得到有效应用的关键点，同时也是铝制零部件螺接技术制约因数或急待得到有效解决的课题。笔者采用基于EN AW-6056改进的铝合金线材，成功研制了铝合金螺栓，并在发动机上得到实际应用。

1　铝合金螺栓用线材

为了综合提高铝合金螺栓的性能，基于EN AW-6056铝合金线材，对其进行了必要的改进和调整：

(1) 减少Si元素最大值含量，以降低晶间腐蚀敏感性；

(2) 减少Fe元素含量，以确保铝合金的力学性能。需要注意的是，当铝合金中Fe的含量大于0.3%时，铝合金的力学性能下降较快。此外，Fe超量会导致铝合金废料不可回收利用；

(3) 压缩Cu元素限值范围。影响晶间腐蚀敏感性的因素主要是Cu元素(但同时也能提高铝合金强度)，其次是热处理工艺；

(4) 压缩Mn元素限值范围。Mn对材料的性能有强化作用，固溶强化效果好，其在EN AW-6056中可进一步强化铝合金。它对铝合金的影响主要在再结晶过程中。需要注意的是，在Mn的添加量大于0.1%的铝合金里，Mn会增加变形抗力，而且会增加淬火敏感性；

(5) 减少Mg元素最大值含量。需要注意的是，铝镁合金的耐蚀性非常好，可强化铝(每增加1%镁，铝合金抗拉强度可增加约34 MPa)，但Mg有热脆性，易产生开裂；

(6) 减少Cr元素最大值含量。Cr可以提高韧性和改善合金的耐蚀性。Cr的含量以0.15%～0.3%为宜；

(7) 减少稀土元素Ti元素最大值含量。EN AW-6056中加入0.02%～0.1%的Ti和0.01%～0.2%的Cr，可以改善合金的锻造性能，细化合金的晶粒。但需要注意的是，Ti在固溶时会降低硬度，形成析出物时会增加硬度；

(8) 压缩Zn元素限值范围。Zn对材料的力学性能和加工性能的影响很小。Zn含量与分布对铝合金的影响主要是针对需要阳极氧化着色的铝材来说的，如果含量控制不当，零件表面会形成粗晶结构，甚至再阳极氧化过程中产生“镀锌”缺陷；

(9) 添加稀土元素Zr。EN AW-6056未规定。Zr有耐腐蚀性，不溶于氢氟酸和王水，特别是能耐盐酸和硫酸。高温时，可与非金属元素和许多金属元素反应，生成固体溶液化合物；

(10) 其他元素。当稀土元素的质量分数为0.2%时，可以细化晶粒、改善合金的抗蚀性能。

EN AW-6056铝合金线材化学元素成分改进前后对比如图1所示。并且，螺栓试件纵向和横向显微剖面中的平均晶粒尺寸均≤150 μm。

图1　EN AW-6056铝合金线材化学元素成分改进前后对比

2　铝合金螺栓的主要机械性能

2.1　常规力学性能

经过相应的工艺过程，尤其是热处理过程，本铝合金螺栓可达到如下机械性能指标：抗拉强度Rm≥400 MPa；规定非比例延伸0.2%的应力Rp0.2≥350 MPa；伸长率A≥7%；对螺栓和螺钉实物进行测试，楔负载达到图2的水平，需要指出的是，最小破坏扭矩仅适用于不能进行拉力试验的螺栓或螺钉。本铝合金螺栓常规力学性能基本达到钢制螺栓4.6级的要求。

本铝合金螺栓的最高使用环境温度为150 ℃。在150 ℃持续服役1 000 h的条件下，螺栓各项性能指标稳定。温度提升期间各性能指标较规定的环境温度下的目标值衰减≤10%。

图2　楔负载试验用参数

2.2　疲劳性能

主要采用影响系数法，其设计思路是：从材料的S-N曲线出发，再考虑各种影响系数的影响，得出螺栓的S-N曲线，并据此进行抗疲劳设计。有限寿命设计一般采用S-N曲线的倾斜部分。本铝合金螺栓在应力幅σa=15 MPa、振荡循环次数达到107前没有出现失效。疲劳性能达到了较理想的水平。

2.3　耐腐蚀性能

晶间腐蚀(IGC)是由组织电化学不均匀性引起的局部腐蚀，使晶粒间失去结合力，金属强度完全丧失。晶界腐蚀主要影响疲劳性、强度和塑性。

对本铝合金螺栓的晶间腐蚀的研究可以从热处理工艺以及合金、稀土元素等方面进行。影响腐蚀敏感性的因素主要是Cu元素(但同时也能提高铝合金强度)，其次是热处理工艺。本铝合金螺栓人工时效时，缓慢冷却会使晶界腐蚀敏感性升高，在硬度达到峰值时，晶界腐蚀敏感性也最大，过时效会降低甚至消除晶界腐蚀敏倾向，但会导致点蚀。

与晶间相关的铝合金腐蚀主要有三种：晶间腐蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀(开裂)。

由于剥落腐蚀易发生在2000系、5000系以及7000系含铜或不含铜(晶间腐蚀敏感性低)铝合金，因此， 本铝合金螺栓剥落腐蚀可以不做特殊考虑。

对本铝合金螺栓来讲，主要控制晶间腐蚀。但需要注意的是，当采用通过增加Cu的含量以提高铝合金强度时，通常会增加应力腐蚀的风险。所以，Cu的含量增加不应使螺栓形成应力腐蚀断裂敏感性，应将螺栓在环境条件下断面收缩率ψ环境与惰性条件下断面收缩率ψ惰性之比大于95%。

3　铝合金螺栓的关键制造技术

(1) 基本工艺路线为：冷成型-清洗-热处理(退火+时效硬化)-辗制螺纹-清洗-润滑-验收。

(2) 热处理基本技术路线如图3所示。与钢的硬化其硬度和显微组织由非扩散马氏体相变控制不同，铝硬化的硬度和显微组织由扩散控制的强度增长阶段的析出控制。

本铝合金螺栓热处理基本目的为：① 固溶退火是为了获得均匀固体(得到溶液+再结晶显微组织)；② 淬火是为了获得超饱和的固溶体；③ 时效(时间/温度)是为了控制强度增长阶段的析出。

材料性能的实现是通过相应的成型和热处理过程完成。在高于160 ℃温度条件下，应对螺栓至少进行一次固溶退火和时效硬化。热处理过程必须在连续炉中进行，必须热处理后进行螺纹辗制。纵向显微剖面中的平均晶粒尺寸≤150 μm，横向显微剖面中的平均晶粒尺寸≤150 μm。热处理关键的因数包括螺栓各部位变形量、温度控制以及线材料的特性。最高强度在合金特定时效硬化温度和时间形成；最高强度等级在合金特定固熔退火温度和时间形成。热处理工艺按图4所示。

图3　热处理技术路线

图4　铝合金螺栓的热处理工艺

3.1　表面处理

螺栓采用氧化处理及封孔处理。

基于阳极氧化和微弧氧化处理有很好的提升抗晶界腐蚀的作用，本铝合金螺栓采用表面氧化处理。由于铝合金线材其表面耐蚀性不强，须通过阳极氧化进行表面处理以增加铝螺栓的抗蚀性、耐磨性及外表的美观度。其主要过程为：

(1) 表面预处理。用化学或物理的方法对螺栓表面进行清洗，裸露出纯净的基体，以利于获得完整、致密的人工氧化膜。还可以通过机械手段获得镜面或无光(亚光)表面；

(2) 阳极氧化。经表面预处理的螺栓，在一定的工艺条件下，基体表面发生阳极氧化，生成一层致密、多孔、强吸附力的AL203膜层；

(3) 封孔。将阳极氧化后生成的多孔氧化膜的膜孔孔隙封闭，使氧化膜防污染、抗蚀和耐磨性能增强。氧化膜是无色透明的，利用封孔前氧化膜的强吸附性，在膜孔内吸附沉积一些金属盐，可使型材外表显现本色(银白色)以外的许多颜色，如：黑色、古铜色、金黄色及不锈钢色等。

氧化处理及封孔处理要求：GB/T8013.1的V级；耐盐雾腐蚀性(CASS)为72 h，级别≥9；耐碱性≥125 s；耐磨性f≥300 g/μm。

3.2　螺纹辗制

螺纹辗制安排在热处理工艺之后，使螺栓机械性能进一步优化、晶间腐蚀的敏感性最小、提高了疲劳强度(降低螺纹牙底影响)以及螺纹损坏的风险最小。并且，铝的材料性质决定了必须采用多工位冷成型设备对整个杆部包括螺栓颈部冷成型。需要注意的是，铝合金螺栓制造过程中应避免与钢制螺栓和螺钉制造用设备、工装(模具、刀具等)混用。

3.3　摩擦系数的控制

本螺栓采用浸渍方式涂覆摩擦系数稳定剂，并作为整个制造过程最后一道工序，实现了拧紧速度的有效控制，有效降低了量产紧固件间摩擦系数值的变异差以稳定拧紧扭矩、增进紧固件在震动摆动环境下的锁紧力。

采用了含高分子聚合物的水性胶状分散液摩擦系数稳定剂，是一种特殊的干式润滑剂。可采用浸渍方式涂覆，经烘干固化后以形成一附着性佳的透明润滑薄膜。且因这种特殊的干式润滑因为膜层极薄，避免了产生影响公差的问题。预涂润滑水蜡的零件可储存备用，随时供应组装并符合自动化操作。

4　铝合金螺栓在汽车发动机上的应用

目前在发动机上共6个部位应用了铝合金螺栓。具体为：油气分离器安装(图5(a))、相位传感器安装(图5(b))、转速传感器安装(图5(c))、水泵总成安装(图5(d))、真空泵安装和和节温器壳体安装(图5(e))。

图5　发动机应用铝螺钉部位

按扭矩法装配上述安装点。通过对发动机进行800循环、400 h交变负荷工况耐久试验以及同时对上述采用铝合金螺栓的6个联接点残余扭矩的检测，表明本铝合金螺栓和联接点的拧紧扭矩完全符合设计要求。

本项目研制的铝合金螺栓解决了联接中的一些关键问题，改进效果明显：

(1) 保证了螺栓与被联接件膨胀系数基本一致。由于螺栓和被联接件都采用铝合金，其膨胀系数基本一致，有利于降低甚至消除螺纹联接副由于温度变化而导致的附加应力，从而减小铝合金的蠕变，改善预紧力的保持能力。

(2) 提高了联接体的夹紧力保持能力。由于铝合金的弹性模量约为钢的1/3，因此，相同尺寸的铝制螺栓的刚度为钢制螺栓的1/3。其好处是，同样的塑性松弛或蠕变量对应的载荷下降，联接体的夹紧力保持能力更好。

(3) 完全避免了电化学腐蚀。采用铝合金螺栓联接时，可避免或最大限度减轻铝合金的电化学腐蚀，从而从源头上解决了因其造成联接松动的问题。

(4) 缩短螺纹联接长度。为了避免螺纹脱扣，采用钢制螺栓联接铝合金材料时，需要更大的螺纹旋合长度，因而使得被联接件及联接体的结构尺寸明显增大。

(5) 螺栓自身轻量化。铝合金具有极高的比强度，其强度相当于不热处理的低碳钢螺栓，但其密度仅为钢的1/3，螺栓自身也有轻量化优势。

5　结　语

通过独立自主研制铝制螺钉、扭矩开发及验证，实现了铝螺接拧紧技术在发动机上成功应用。该成果对铝制零部件在轻量化中的有效推进具有非常重要意义。