汽車緊固件常見問題及預防措施的研究

梁成成

(山西工程職業學院機電工程系，山西太原 030009)

0 引言

緊固件是一種量大面廣的基礎性元件，憑借其產品種類多、性價比高、拆裝簡單方便、利于檢修、互換性好、可以增加預緊力防松等優勢，廣泛應用于包括汽車在內的各種機械產品和裝備。據統計，在一部轎車上平均每車用緊固件約為3 500個，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，根據最近公布的數據，汽車行業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標的問題，可見汽車緊固件對整車品質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鍵緊固件、重要緊固件和一般緊固件。關鍵緊固件和重要緊固件起著連接汽車關鍵部位的作用，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。緊固件出現問題的原因是多方面的，對緊固件產品常見的問題及預防措施的研究，是緊固件制造企業和使用單位面臨的重要問題，同時也具有較高的工程實用價值。

1 汽車緊固件常見的質量問題及預防措施

在汽車生產和使用過程中，因緊固件失效而導致的問題頻次相對較高，通過走訪調研國內多家汽車主機廠，對汽車緊固件在裝車前、裝車時和裝車使用后出現的失效模式和發生頻次進行統計分析，并根據緊固件失效原因進行了相應分類。緊固件常見問題及發生概率如圖1所示。

圖1 緊固件常見問題及發生概率

根據多家汽車主機廠數據統計發現，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品，因各種異常因素影響，導致產品相互混淆的情況?；炝蠁栴}是一種比較低級的問題，對于很多緊固件生產廠家來說，卻又是一個很常見，但又難以完全控制的問題。汽車緊固件因為混料問題，對于客戶來說，輕則造成線邊缺料、汽車生產線中斷，重則導致汽車召回返工；而對于緊固件廠家來說，需要對客戶端和自己庫存件進行返工，如有需要，還得加急生產客戶急缺的某種緊固件，這樣既使廠家形象受損，又需耗費大量的人力和財力。

引起緊固件混料的原因主要有：

(1)原材料因為規格相似或者標示錯誤，導致發錯或者用錯料。

(2)廠家在緊固件生產或委外加工過程中，因為調機或者相鄰工序相應半成品未清理干凈導致混料。

(3)緊固件成品在包裝、儲存或者外發過程中，因為管理不當造成混料。

針對以上原因，結合工作經驗，可以采取以下預防措施：

(1)所有的緊固件原材料標識必須清楚明確；規格相近的原材料不能放在相鄰的位置；領取原材料時，要嚴格按照《領料單》對原材料材質及規格的要求，防止領料錯誤。

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

每個品種、每個批次及每個料筐均需要采用工藝流轉卡進行標識和追溯。工藝流轉卡內容應包含原材料牌號、爐號、產品名稱、圖號、生產批次號、日期、操作者簽字、檢驗記錄、檢驗員簽字等詳細信息，以便隨時可以進行追溯。產品周轉過程中，必須檢查料筐是否清理干凈，必要時空筐倒置擺放。

(3)倉庫存儲的所有產品，都要采用固定的包裝箱及包裝袋，包裝箱上標有產品的詳細信息，如產品名稱、圖號、生產批次號、生產日期、包裝日期、包裝數量等；每個料架都要進行相應的編號，并導入MES系統中以便管理。

1.2 疲勞斷裂

疲勞斷裂是汽車緊固件常出現的質量問題之一，疲勞斷裂時緊固件外觀沒有明顯的征兆，大多是在無預警且不可預期的情況下發生的，一旦發生將損失嚴重。很多緊固件在服役期間會承受拉-拉、拉-壓、彎曲、旋轉彎曲、扭轉彎曲等交變載荷的作用，在交變載荷作用下緊固件將會發生疲勞斷裂。緊固件發生疲勞斷裂的位置，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截面，疲勞源常產生于此。對發生疲勞斷裂的緊固件進行失效分析發現，疲勞斷裂的原因往往和緊固件制造缺陷有關，如螺栓頭下角較小、過渡不平滑有折點、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、裝配連接不當等因素有關系。

一般情況下，發生疲勞斷裂的緊固件宏觀斷口上沒有明顯的變形，呈現脆性斷口形貌，其典型形貌包括疲勞源區、擴展區和瞬斷區。某35CrMo材質10.9級高強度螺栓，因裝配預緊力不夠，導致其在使用期間受到一定次數交變載荷作用而發生疲勞斷裂，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、擴展區和瞬斷區。疲勞源區有向外輻射的疲勞臺階和放射棱線，一般位于疲勞弧線的中心；疲勞擴展區斷面較平坦，斷口上最基本的宏觀特征是疲勞弧線，疲勞弧線的數量和間距主要與載荷的交變次數及交變應力的振幅有關；瞬斷區面積大小取決于載荷的大小、材料的性質及環境介質等因素，瞬斷區面積較小，僅占整個斷面面積的20%左右，符合低應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，其位于疲勞裂紋擴展區，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，與裂紋擴展方向基本垂直，理論上講，每一條疲勞條帶代表一次應力循環，疲勞條帶在數量上與應力循環次數應當相等。

通常情況下，可以采取如下措施預防疲勞斷裂：

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

(2)合理設計緊固件結構，盡量減少應力集中，適當加大應力集中處的圓角半徑，避免尖角，適當加大危險截面尺寸。

(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)采取諸如滾壓強化等表面強化措施，提高緊固件螺紋連接的疲勞強度。

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度、硬度、塑性、韌性等綜合力學性能指標，通常需要對8.8級以上的高強度汽車緊固件進行熱處理。汽車緊固件的熱處理又稱調質處理(淬火+高溫回火)，原材料、爐內溫度、爐內氣氛、熱處理時間、淬火介質等因素都會對熱處理產生影響?，F在絕大部分汽車緊固件的熱處理設備都是電子控制網帶式連續爐，加熱溫度、保溫時間、冷卻時間、加工量等參數都是按一定的工藝要求，進行程序自動控制。隨著熱處理設備越來越先進，熱處理工藝越來越完善，現在大部分熱處理常見問題已得到很好解決。

經統計，某主機廠螺紋緊固件的熱處理問題，絕大多數是因淬火裂紋引起的產品開裂或失效，淬火裂紋產生的原因復雜多樣，以下通過幾個典型的案例，探究幾種淬火裂紋產生的原因及預防措施。

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造成原材料微裂紋的大幅擴展，從而使產品完全失效。

預防措施：①原材料入庫檢驗時采用低倍放大鏡抽樣檢查；②嚴格控制原材料，進行去料頭、去料尾處理。

案例二：熱處理毛坯件形狀不規則引起的淬火裂紋

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

圖5 毛坯件形狀不規則引起的淬火裂紋

原因分析：①熱處理毛坯件外形不規則，造成毛坯的最薄弱處出現高度應力集中；②先鉆孔再攻絲最后熱處理的加工工藝，會引起淬火應力集中在孔兩側最薄弱處，造成淬火裂紋。

預防措施：①對毛坯件的外形結構進行優化，消除應力集中的風險；②優化加工工藝流程，將鉆孔、攻絲等工序放在熱處理后進行，消除應力集中的風險。

案例三：毛坯件金相組織過燒引起的淬火裂紋

圖6為毛坯件金相組織過燒引起的淬火裂紋。

圖6 毛坯件金相組織過燒引起的淬火裂紋

原因分析：該緊固件頭部為熱鍛成形，因生產廠家原有熱鍛加熱設備落后，造成加熱區域組織存在過燒的缺陷，奧氏體結晶顆粒變得粗大化，導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馬氏散體裂痕，裂痕經高頻淬火后出現大面積擴展。

預防措施：改進熱鍛加熱處設備，控制熱鍛的加熱時間與溫度，消除工件過熱、過燒對金相組織的影響。

1.4 表面處理

在表面處理過程中，表面處理不當導致的緊固件氫脆問題是一類不可忽視的嚴重缺陷，在此重點討論氫脆對鍍鋅緊固件的影響及預防措施。

氫脆，又稱氫致開裂，是氫原子侵入并擴散到整個金屬基體中，而進入基體中的氫原子相互聚合產生氫分子,在氫聚集之處會產生應力集中,當集中的應力超過基體材料的強度極限時就會導致斷裂，因氫的聚集需要一定時間，故氫脆往往表現為一定的延遲斷裂。

某42CrMo材質銷軸，在使用過程中，在其第四牙螺紋處發生斷裂，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，裂紋擴展區斷口齊平，呈瓷質點狀，屬于典型的脆性斷口;對斷裂斷口起源處用SEM(掃描電子顯微鏡)進行微觀觀察，發現其呈韌性斷裂特性，如圖7(b)所示；對該處進行放大，可見表面有雞爪狀撕裂棱和晶間二次裂紋，如圖7(c)所示；對該處再放大，可見等軸韌窩形貌，如圖7(d)所示。對瞬斷區進行SEM掃描觀察，發現其呈現典型沿晶斷裂，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

氫脆實際上是由于電鍍酸洗過程中，氫元素滲入金屬內部導致的損傷，氫脆斷裂是高強度緊固件比較常見的一種失效形式，因氫脆引發的斷裂發生得很突然，并沒有事先警告，其造成的后果是很嚴重的，因此對于氫脆的預防很有必要。

針對氫脆問題，可以采取的預防措施如下：

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

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

1.5 過載斷裂

緊固件過載斷裂是指緊固件所承受的軸向負載超過其強度所允許承載極限而引起的瞬間斷裂。對于常用的螺栓、螺釘等汽車緊固件，常見的過載斷裂位置一般位于靠近螺母支撐面的第一扣螺紋處，此部位應力變化大、應力面積小、應力水平較桿部大。此外，螺栓頭部角過渡處因為應力較集中，也是過載斷裂高發位置。

過載斷裂一般表現為韌性過載斷裂和脆性過載斷裂兩種形式，塑性良好的緊固件在裝配和使用過程中，受到拉伸、扭轉、剪切或沖擊等較大應力時，一般發生韌性過載斷裂。某40Cr材質10.9級高強度螺栓，在裝配時螺栓螺紋表面接觸到油脂，導致其摩擦因數變小，在正常扭矩值范圍擰緊時，螺栓所承受軸向力超過其強度所允許承載極限而發生韌性過載斷裂。螺栓發生韌性斷裂的最顯著特征是在斷裂處出現明顯的縮頸現象，斷口呈現杯錐狀，如圖8(a)所示;宏觀韌性斷口一般表現為斷口表面粗糙，呈現纖維狀，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載斷裂的重要依據。

圖8 過載斷裂斷口的宏觀和微觀形貌

一般來說，引起汽車緊固件過載斷裂的主要原因有以下幾點：

(1)緊固件所用的原材料強度不夠。

(2)緊固件結構設計不合理，容易造成應力分布不均。

(3)緊固件原材料或冷熱加工工藝存在缺陷，引起緊固件內部應力集中。

(4)緊固件裝配擰緊時，施加的扭矩值過大，預緊力超過了其承受能力。

(5)緊固件在使用期間承受了非正常超載載荷。

針對以上原因，可以采取如下措施預防過載斷裂問題：

(1)合理選擇緊固件材質，保證緊固件能達到足夠的強度。

(2)合理設計緊固件結構，使其在承受載荷時應力分布合理，避免局部應力集中引起過載斷裂。

(3)嚴格控制原材料質量，改善冷熱加工工藝，提高冷熱加工質量，預防材質和加工存在缺陷。

(4)緊固件裝配時，嚴格按照裝配作業指導書進行，關鍵零部件裝配應采用定扭扳手，防止裝配應力過大。

(5)緊固件使用期間，避免緊固件超載應力出現。

2 結束語

文中主要討論了汽車主機廠緊固件常見的幾類質量問題，通過個別案例，結合文獻知識、工作經驗，對這幾類問題產生的原因和預防措施分別進行了討論分析。分析結果能夠給主機廠和緊固件生產廠家相關工作人員提供一定的指導和幫助，從源頭上遏制這幾類問題的發生，從而提高整車質量。