汽车铝螺栓(「轻量化连接专栏」铝合金螺栓的开发与应用)

铝，一直是轻的代名词。

随着工程中，越来越大通过减轻重量来保持能量,铝的使用量注定要增长。

铝制紧固件的重量，是其同类钢制紧固件重量的1/3。这种经常被使用的合金的强度特性出奇的好。

实际上,在强质比上,铝制紧固件比其它任何一种工贸易用材料制成的紧固件都要高。

铝是不可磁化的。铝的热电传导性很好,约为同体积下铜传导性能的2/3。铝有很好的加工特性,易于冷成型和热锻。

在正常环境下,铝有足够的抗腐蚀能力。而且当预计的暴露环境很恶劣时,它的抗腐蚀能力可以通过阳极处理得到极大的改善。

阳极处理是一种在金属表面形成氧化膜的电加工工艺。阳极处理不仅增强了抗腐蚀的能力,同时还增强了对磨损和划伤的保护能力。阳极镀层出于装饰和辨认的目的有着很多种颜色。在大气腐蚀中,铝在表面形成一层淡灰色的氧化膜。这些腐蚀产物不会污染铝的表面,或者蔓延到毗邻的表面上,它和其他很多金属在腐蚀作用下的表现在这一点上不一样。

此外，铝合金螺栓还可以解决钢、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。

01

工 艺

铝合金基本工艺路线如下：

冷成型－清洗－热处理(退火+时效硬化)－辗制螺纹－清洗－润滑－验收。

02

线 材

纯铝的抗拉强度约为13,000psi,增加少量合金元素而极大进步强度是可能的。2XXX、6XXX、7XXX的铝合金对热处理的效果很好。因此,实际上所有用于载荷传递的螺纹紧固件都由这三大类铝合金制成。

有四种铝合金几乎是专用的。

2024-T4型铝合金(含4.5%的铜,1.6%的锰,1.5%的镁,其余为铝)是重负荷合金。它在强度、抗腐蚀性、制造性、经济性的结合上达到了的平衡,广泛地应用于螺纹紧固件的制造。

用7075-T73型铝合金(含1.6%的铜,2.5%的锰,0.3%的铬,其余为铝)制成的螺栓、螺钉和双头螺栓在强度上有了微小的进步,而且由于“T73”特殊的热处理工艺,使它能在很大程度上阻止应力腐蚀的发生。但昂贵的造价使它的普及受到限制。

6061-T6型铝合金(含0.6%的硅,0.25%的铜,1%的镁,0.2%的铬,其余为铝)可用于设计对抗腐蚀能力有更高要求的内、外螺纹紧固件。

6062-T9型铝合金(含0.6%的硅,0.25%的铜,1%的镁,0.09%的铬,0.5%的铅,其余为铝)几乎为设计螺母专用。这种合金比6061-T6型铝合金强度更高并有相对较好的抗腐蚀性。

6063-T9型铝合金制成的全厚度螺母有足够的强度用来配合2024-T4或7075-T73型铝合金制成的螺栓。机用螺钉、螺母和其它1/4英寸及更小尺寸的螺母用2024-T4型铝合金制成。

已经提到的四种铝合金在螺纹承载紧固件的制造中应用最为广泛,而其它的铝合金则用于其它类型紧固件的制造业。小固体、半管和盲铆钉分别由1100-F、5052-F、5056-F型铝合金制得。可热处理的2017-T4、2117-T4、2024-T4、6061-T6型铝合金和相对新研制出的7075-T73型铝合金有着优越的抗剪强度,并且不需要进行“预传动处理”就可以传动。

平垫圈通常由镀铝的2024-T4合金制得;螺旋弹簧垫圈通常用7075-T6合金制得;攻牙螺钉可利用7075-T6合金制得;自攻螺钉由同材料合金通过阳极处理得到。2011-T3型铝合金(含5.5%的铜,0.5%的铅,0.5%的铋,其余为铝)可用于制造螺纹切削机的零件。

03

性能

外螺纹紧固件铝合金材料2024-T4、6061-T6和7075-T73的强度特性在B-158页的ASTMF468有具体论述;螺母铝合金材料2024-T4、6061-T6和6062-T9的强度特性在B-184页的ASTMF467中有具体论述。

在这里有必要说明一下铝合金制螺纹紧固件和其它金属材料制紧固件在机械性能上的两点差别。

第一点就是:计算零件的负载能力时,要测定横截面牙底部分的区域而不是面积更大的拉应力区域。只有在ASTMF468的表格2中给定的机械测试样本的抗拉、屈服强度值才是真正的强度值。在对整个尺寸的紧固件做强度计算时,可以做适当的调整。这样在将应力值与螺纹受力区域面积相乘以计算以磅为单位的负载能力时,计算结果大约即是表中“真值”与更小的牙底区域面积的乘积。

第二点是:铝合金紧固件的硬度区别很小,而且象检查准则一样没什么意义。作为硬度测试的替换,通常引进抗剪强度测试。

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72h，级别≥9;耐碱性≥125s;耐磨性f≥300g/μm。

04

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。

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摩擦系数的控制

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。

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应 用

奔驰 7速、9速 变速箱壳体连接

奥迪 B系列 铝合金发动机壳体与铝合金变速箱壳体连接

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总 结

1、铝合金螺栓是汽车轻量化目标下，紧固件连接的理想选择。

2、与碳钢螺栓相比,可减重达65%(0.5-1kg/变速箱)应用于镁/铝合金部件，可避免接触部位电化学腐蚀防腐蚀效果强于镀层或者组合垫圈。

3、用于镁合金部件连接时，可大幅减少高温情况下的预紧力松弛。

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