制造汽車發動機關鍵緊固件的要點

郭引剛 江 暢 陸恒昌 張行杰 胡春東

(1.寧波敏達機電有限公司，浙江 寧波 315800; 2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444)

緊固件是基礎件之一，作用非常重要。在汽車行業，緊固件是各零部件的連接件，同樣具有至關重要的作用[1-3]。發動機是汽車的核心，其服役條件非常苛刻，特別是發動機的缸蓋螺栓、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鍵的5大緊固件，其質量關系到汽車的性能穩定和安全性[4-6]。發動機高強度關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，目前我國汽車發動機關鍵緊固件的制造工藝及材料均未完全實現國產化，受中美貿易摩擦及疫情的影響極大。在此背景下，推進發動機關鍵緊固件的國產化是緊固件制造業的目標和挑戰。本文結合企業積累的經驗提出了發動機高強度關鍵緊固件制造的控制要點和要求，以供同行借鑒。發動機關鍵緊固件的質量控制涵蓋了從原材料生產到最終成品的全過程，基本生產工藝為：冶煉→軋制→原材料改制→冷鐓→熱處理→搓絲→穩定化處理→表面處理→分選包裝。

1 原材料生產及國內外材料對比

發動機關鍵緊固件原材料的基本生產工藝過程為：鐵水預處理(KR)→轉爐煉鋼(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為雜質、偏析、晶粒度、成分均勻性和一致性及氧氮氫含量等；軋制過程重點控制表面質量(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。關鍵緊固件對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的氫陷阱[7]。目前合資品牌汽車高強度緊固件原材料以JIS標準為主，常用材料為SCM435鋼，國內采用日本某知名鋼廠的材料居多。表1對比了國內外不同鋼廠SCM435鋼的生產流程，可見為了確保原材料的質量，RH/VD精煉和鑄坯質量的控制是基本要求。

表1 不同鋼廠關鍵緊固件用SCM435鋼的生產流程

對于成分的均勻性和一致性，統計了國內外不同鋼廠不同批次SCM435鋼原材料成分的波動，如圖1所示。圖1表明：對于含碳量，日本某鋼廠控制在4個組距內，國內A鋼廠控制3個組距，B鋼廠的碳組距為5個，因此國內不同鋼廠含碳量的控制水平不同。相比較，日本某鋼廠對Mn、S及P含量的控制范圍較寬，對殘余元素Cu和Ni的控制較嚴，且Cr和Mo控制在上限。

圖1 不同鋼廠的成分波動

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

表2 關鍵緊固件用鋼盤圓的包裝要求

2 材料改制及控制要點

由于尺寸和表面狀態的原因，熱軋盤圓必須經過改制才能用于緊固件生產。發動機關鍵緊固件用材料的改制工藝為PASAIP。材料改制的控制重點包括毛坯尺寸的選擇、球化工藝、脫碳、磷化皮膜及表面質量等。為了滿足緊固件冷鐓的要求，除了合理的球化工藝外，表面質量的控制十分關鍵。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，線架之間疊加時使用墊板防護。包裝的控制要點包括使用纏繞膜、線架、防護墊板，線頭要用膠帶捆綁防護。

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

3 緊固件制造

與普通標準件相比，汽車發動機關鍵緊固件對材料、冷鐓成型工藝、模具、設備、作業規范、檢測能力、熱處理管控、搓絲管控及表面處理等的要求更高、更嚴格。

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。成形工藝的設計對高強度緊固件尤為重要，設計不合理(尤其是頭下R角)會導致緊固件流線不良，影響最終的強度和疲勞壽命。成形工藝的設計需借助CAE進行分析。

3.2 模具

制造汽車發動機高強度緊固件的模具要有高精度及合適的硬度、耐磨性和韌性。模具設計應與成形工藝配合，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、使用過程中的潤滑及保養等因素得到控制，才能保證模具的使用壽命。

3.3 設備

汽車發動機高強度緊固件的加工精度要求很高，加工設備的精度和穩定性很重要。生產設備要有完整的管理制度，包括設備維護、保養、檢定等均要有明確的規定。目前制造發動機高強度緊固件的設備主要依賴進口。

3.4 作業規范

對汽車發動機高強度緊固件產品一致性的要求很高，在現有工藝得到保障的情況下，需對尺寸進行嚴格管控。需要有規范的作業指導書，對需要控制的尺寸規定檢查的要點、方法和接收標準，并規定對應的處理辦法。作業文件傳遞需流暢，以保證設計和現場使用的文件正確、統一、完整，且狀態受控。

3.5 檢測能力

緊固件尺寸和形位公差的檢測需選用具有所需精密度的設備，以確保檢測結果準確。定期對測量工具和測量設備進行確認、校準，以避免檢驗數據失真。汽車發動機高強度關鍵緊固件涉及多種尺寸和形位公差，必要時需與客戶統一檢測方式和檢測工具，減少測量誤差，避免誤判。

3.6 熱處理過程管控

調質處理是高強度緊固件獲得良好力學性能的關鍵工序，生產優質高強度緊固件必須具備先進的熱處理工藝過程控制方法。發動機高強度關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。熱處理工藝過程對時間、溫度、碳勢控制及淬火介質都有嚴格要求。目前廣泛采用連續式控制氣氛網帶爐，并要求密封性好、有先進的氣氛保護、溫度等參數的自動控制及自動報警功能，以保證質量穩定。另外還需要RX爐進行爐外裂解控制碳勢。目前熱處理設備以進口為主，緊固件生產廠對爐子有特殊要求。

為了保證產品的壽命，防止在熱處理中出現磷聚集層，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，保證熱處理后產品潔凈。檢測熱處理后緊固件的硬度是最簡單的現場檢驗手段，但必須保證產品的強度、屈強比、顯微組織、脫碳層、磷聚集層、抗拉的穩定性及SPC達標，這些因素控制是保證最后裝配時產品一致性的關鍵。

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牙板，移動牙板帶動緊固件移動一個行程即完成螺紋加工。搓絲加工的材料利用率高，生產效率也高于機加工螺紋。發動機高強度緊固件的疲勞壽命與搓絲有非常密切的關聯性，采用先熱處理后搓絲的生產工藝能增加螺紋的應力，提升疲勞強度的同時也有利于減少螺紋磕碰。由于是熱處理后搓絲，模具的壽命也關系到產品的質量，所以模具材料及熱處理工藝的選用是關鍵。另外評估模具的搓絲壽命，也是控制產品質量的關鍵。

3.8 表面處理過程管控

汽車發動機高強度緊固件多用于密閉多油的環境，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，表面為黑色或灰白色，膜層均勻細致，膜重控制在7.5 g·m-2以上。為滿足磷化膜鹽霧試驗要求，通常的做法是涂油和加封閉劑。

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

3.9 去氫處理

現有標準中規定，當螺栓心部或表面硬度高于320 HV時，應檢測氫脆，以確保氫脆風險可控。如果磷化前處理工序為酸洗，需增加去氫工序以降低氫脆風險。

3.10 產品檢驗、包裝及保質管理

成品緊固件需檢測硬度、抗拉強度、屈服強度、疲勞強度、摩擦因數、螺紋脫碳、顯微組織和延遲斷裂等性能。同時抽檢尺寸，并采用影像全檢機檢測緊固件尺寸，對無螺紋及斜牙等缺陷進行確認。緊固件包裝需滿足客戶要求。因磷化產品防腐性能差，應密封包裝。對包裝入庫產品應進行保質期管理，超過保質期仍未使用的物料應劃分為呆滯品，并對產品狀態進行確認，確定產品返工、返修或報廢，避免存儲過久導致不良品流向客戶。

3.11 關鍵緊固件的疲勞和裝配驗證

為保證發動機關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曲線評價是必要的[8]，如圖3所示。近期在材料國產化工作中，按相同工藝流程制造，用國產材料制造的螺栓疲勞極限波動較大，不及進口材料螺栓。

圖3 螺栓的疲勞S-N曲線

擰緊工藝和裝配驗證是緊固件服役性能的重要保障[9-10]。汽車發動機高強度關鍵緊固件要求在塑性域裝配，并滿足多次使用的要求。目前國內只有少數緊固件生產廠掌握該工藝驗證技術。圖4為某型缸蓋螺栓采用扭矩(30 N·m)+轉角法(270°)裝配的驗證曲線，可見擰緊后的軸力滿足規定要求。

圖4 裝配驗證曲線

根據工廠生產實踐，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 結束語

對于汽車發動機高強度關鍵緊固件，材料的質量和性能穩定性是螺栓制造的基礎，也是控制螺栓質量的關鍵。當前，緊固件的尺寸、形位公差、抗拉強度等的技術要求比較容易控制，但能夠滿足屈服強度、摩擦因數及疲勞強度等指標的高穩定性和一致性要求的緊固件廠屈指可數。另外，國內掌握汽車發動機高強度關鍵緊固件在塑性域裝配及工藝驗證技術的廠家也寥寥無幾。因此，目前發動機高強度關鍵緊固件的國產化需從產業鏈整體協作入手，在對國內材料進行充分調查和驗證的基礎上不斷改進提高。