汽车紧固件材质选取及安全措施
汽车紧固件包括各种散件紧固连接成为整车的各种标准的和非标准的紧固元件、螺栓、螺钉等借助螺纹紧固联接的是其主体。
紧固件数量占整车零件数量比例远超过其他任何一种零件，汽车紧固件虽小，安全意义重大，它的制造和选用关系到汽车行驶的安全，应当极其关注。
一、汽车紧固件至关重要，关系到汽车的行驶安全
紧固件是指将两个或两个以上构件紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。紧固件是作紧固连接且应用极为广泛的一类基础性零配件。在各种机械、车辆、船舶、铁路、桥梁、建筑、结构、工具、仪器、仪表和日用品等上面，都可以看到各式各样的紧固件。它的应用极为广泛，品种规格繁多，性能用途各异，几乎涵盖了民生和工业生产的各个领域，有着巨大的市场需求。因其在工业体系中有着无法替代基础性地位，故而被形象地称为“工业之米”。
汽车用紧固件与其它汽车零部件的一个重要不同点，是它包含了数百上千个不同功能的品种，而又被应用在全车几乎所有不同重要性的部位。即汽车紧固件是重要程度极为不同的众多品种、规格汽车用紧固件的总和。
汽车紧固件至关重要，忽视价值微小的紧固件，有可能导致千百倍乃至数万倍于其价值的损失。因此，评价汽车紧固件的重要程度，以利有针对性地予以有区别的控制和管理，则为十分有必要的事情。
二、汽车紧固件因质量不佳失效的主要形式
汽车紧固件的重要程度一般分为三种。
一是保障安全紧固件，简称“保安紧固件”或“保安件”，是指由于该紧固件的失效，可能导致车辆发生致命故障的紧固件；
二是重要紧固件，简称“重要件” ，是指由于该紧固件失效，可导致车辆发生严重故障的紧固件；
三是一般紧固件，简称“一般件” ，是指由于该紧固件失效，仅可能导致车辆发生一般或轻微故障的紧固件。
紧固件功能失效指在服役中完全丧失规定功能的现象。车辆在长期运行中发生的故障，或致使轻的故障演变为严重乃至致命的故障，很多源自于汽车紧固件因质量不佳而失效所引起。
常见汽车紧固件失效的主要形式有断裂或破裂、松弛、脱落等。
1、延迟断裂
延迟断裂是指在静止应力作用下的材料，经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象。主要发生在螺栓、螺柱等外螺纹紧固件上，这是一种外力并不超过设计允许的静载荷或动载荷情况下，随使用时间增加，在数月或数年后发生的突发性断裂。
导致延迟断裂的原因很多，如车辆使用环境、零件采用的材料及制造过程、零件形状与强度对延迟破坏的敏感性等。前述美国通用公司调节臂螺栓问题就是一个延迟破坏的典型事例。延迟断裂现象是材料、环境、应力相互作用而发生的一种环境脆化，是氢导致材质恶化的一种形态。延迟断裂现象是妨碍紧固件类螺栓用钢高强度化的一个主要因素。大体上可分为以下两类。
一是主要是由外部环境侵入的氢引起的延迟断裂。如汽车和桥梁等使用的螺栓，在潮湿空气，雨水等环境中长期暴露而发生氢致损伤，导致延迟断裂。
二是酸洗、电镀处理等制造过程中侵入钢中的氢(内氢)引起的延迟断裂。如电镀螺栓等在没有去氢或去氢不完全，当加载后，经过几小时或几天的较短时间后而发生延迟断裂。
对于前者，一般是由于在长期暴露过程中发生腐蚀、腐蚀坑处腐蚀反应生成的氢侵入而引起的；后者是由于制造过程如酸洗、电镀处理时侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起的。
实际用钢在自然环境下发生延迟断裂的主要是淬火回火的马氏体系钢。材料的成分、组织结构及力学性能与延迟断裂敏感性有关。钢中含P、S、Si、Mn等元素促进钢延迟断裂。一般认为钢的强度越高，延迟断裂敏感性越大，在抗拉强度大于900MPa，硬度≥31HRC的强度水平时，延迟断裂的敏感性逐渐增大。现在虽已可能从设计、制造中加以预防，如采用对延迟破坏敏感度低的材料、避开采用敏感的强度区、减少或避免采用可能使氢渗入零件的工艺过程(如电镀、过度酸洗等)或通过事后处理将氢驱除等等。但鉴于原因的复杂多样似乎还难以完全杜绝。
2、疲劳断裂
螺栓联接是机械制造与机械设备安装中广泛应用的一种联接形式。由于人们对于螺栓的疲劳破坏不易发现，又很难预防，多年来，因螺栓的疲劳断裂而造成的重大事故在国内处时有发生。根据统计，紧固件断裂失效模式中，疲劳失效约占总数的60％～90％ 。
疲劳损坏的机理比较简单，它是由动载荷引起，从应力集中点开始的。主要的应力集中点是在螺纹部分以及螺栓头部与杆部之间的圆角处。由于螺纹件特有的缺口敏感结构，疲劳断裂是螺纹紧固件在动载条件下最易见的断裂形式，原因在于零件的疲劳寿命往往有某种限度，而且影响其离散程度的因素复杂，如果其疲劳寿命低于整车寿命，显然将会在整车使用中某时断裂。
在金属零件的制造和使用过程中， 由于锻造缺陷、焊接裂纹、表面划痕、非金属夹杂、腐蚀坑等各种原因，往往使零件表面已经产生了各种类型的裂纹，当其承受交变载荷时，即使载荷远低于材料的疲劳极限，裂纹也可能扩展，导致机器的灾难性破坏。
采用调质、渗碳、表面处理，通过改变材料的组织可以达到改善疲劳性能(包括应力腐蚀性能)的目的。当今，表面喷丸强化工艺，已经采用在螺栓、螺钉的杆部，使用较多、适应性也广泛，成本也低廉。
3、劣质紧固件
假冒伪劣紧固件无论在国内还是在国外，过去已经是，现在仍然是，而且将来继续是一个严重的问题，亿万个低于标准的，错误标记的和伪劣的紧固件威胁着工业和消费产品的可靠性以及国家的安全。不合格的紧固件不仅浪费资金，而且在一些情况下还可能导致重大事故的发生。劣质紧固件必然导致那些符合设计要求本来绝无问题的部位引发故障，甚至致命故障，这是一个暗藏意外故障的因素。
4、不规范的紧固
螺纹紧固的可靠与否取决于设计、紧固件和紧固几方面。维修中将常常更换、拆装紧固件。遍布全国、水平差异悬殊的维修点，势必存在不规范的紧固操作，劣质的紧固同劣质紧固件一样是另一个发生意外故障的因素。
三、汽车紧固件的材质及制造工艺
汽车紧固件的拧紧工艺技术及螺纹紧固件本身的发展都是出于联接可靠性及结构轻量化需要，是螺纹联接设计、工艺以及材料技术进步的结果。螺栓联接的关键是要控制螺栓的轴向夹紧力。要实现螺栓轴向力的准确控制，必须从紧固件的设计选用、摩擦系数的控制、拧紧工艺方法的正确采用等各个方面予以保证。
高强度螺栓钢大多是中碳钢和中碳合金钢，都在调质态热处理后使用。通过热处理(调质)后，其显微组织是回火马氏体+碳化物。经过对淬火前的奥氏体超细化，证明其力学性能可以提高，与42CrMo钢传统的细晶热处理相比，当细化至10um以下，所有的力学性能(强度、塑化、钢性)都有明显的改善。对于高强度螺栓钢，仅仅提高强韧性或仅仅晶粒细化不能全面满足使用要求。例如，绝大多数合金结构钢当抗拉强度提高到1200MPa后产生延迟断裂，这样进一步提高强度失去了使用价值，反而造成更大的不安全性。从实用来看提高疲劳强度和疲劳寿命，是提高抗延迟断裂性能的尤为重要和更艰巨的课题。
抗疲劳性能的提高联系着钢中洁净度的提高，特别是氧化物大小及分布的变化，它对生产这类钢的电炉冶金工艺是高难度挑战，这需要各方面的大力协作。提高延迟断裂强度不仅与晶粒细化有关，还与钢中结构、晶界状态有关。科学研究表明，42CrMoVNb~当奥氏体晶粒细化至2um时，延迟断裂并不比粗的晶粒尺寸(4um)好，延迟断裂实质是氢脆现象，通常以沿晶断裂形式发展，因而易在使用时发生延迟的氢脆性断裂。
发展二次硬化钢比一般调质钢的强度高200～400MPa，通过钢材的冷加工可以说明。当给钢材试件加载至其屈服极限时，迅速卸去荷载。在二次加载时，钢材的强度明显提高，但表现出来的塑性和韧性都有所下降。
另外，通过微观的观察，冷拉后的钢材原子晶格分布较原来更整齐更规则，也说明了其强度性能的提高。在采用电加热处理和循环热处理作奥氏体细晶化热处理同时，借鉴国外钢的Nb细晶化作用。采用偏聚在奥氏体晶界，通过低能电子衍射和晶界温度计算证明强化了原子相的晶界。
国外已有1300MPa级高强度螺栓的使用实例，国内也因优化产品设计和提高产品质量而对高强度螺栓提出了更高的要求。新近研发的新材料42CrMoVNb(ADF1)钢在依维柯汽车和康明斯发动机上作13.9～14.9级高强度螺栓使用，突破了国际上最高只有12.9级螺栓钢的限制，超高强度螺栓钢可望具有很好的市场发展前景，极具生产潜力。
热处理可以使高强度紧固件获得设计所要求的具有～定强度、良好的塑性、韧性和低缺口敏感性以及较高的抗弯强度，避免产生松弛现象等综合力学性能及其使用性能，从而保证紧固件的质量和可靠性，提高紧固件产品的市场竞争力。
热处理工艺对高强度紧固件尤其是它的内在质量有着至关重要的影响。因此，要想生产出优质的高强度紧固件，必须要有先进的热处理工艺和热处理工艺过程控制。热处理工艺的特点是通过改变材料内部的组织结构使各种紧固件获得所要求的性能和质量。由于热处理所赋予产品的质量特性常常是不直观的内在质量(如材料的抗拉强度，断面收缩率，伸长率等)，生产中为了保证热处理质量，一般要通过专门仪器设备对紧固件或随炉试样进行检测。由于受检验抽检率和检验部位的限制，对于每一个规格紧固件甚至每一炉次的紧固件来说，其检验都是局部的或个别的，不可能做到对热处理质量100％的检测。所有的检测结果都不能完全反映整批紧固件的热处理质量。由于热处理生产按炉次批量投入或连续生产，一旦出现热处理质量问题，造成难以估量的损失。严格控制热处理生产的全过程，实行全面的质量管理对热处理工序来说尤为重要。热处理生产同其他生产工序一样离不开人、机、料、法、环，都是影响热处理产品质量的主要因素，相互影响，相互制约，最终决定了紧固件热处理质量。
四、汽车紧固件的质量保证措施
工艺和材料作为机械制造业的基础，对于产品的质量和性能起着至关重要的作
用。钢材是紧固件中最基本的材料，虽然有色金属和复合材料的应用比重在逐年增加，但高强度紧固件所用钢材的作用是无法替代的。通过采用先进的冶炼装备和工艺技术以及合理的低合金化，我国的紧固件用钢发生了较大变化，使目前的高强度紧固件能更好地满足机械制造业实际使用要求。以高强度紧固件为例，由于对高强度螺栓钢有关技术的不断研究，特别是追求镦锻加工前处理工艺的最佳化以及对各种合金元素的最佳选定和配比，各种高强度螺栓钢才得以发展。
汽车高强度紧固件的质量保证常采取如下措施。
大批量螺栓生产中大都需要镦头，用钢大多为冷镦钢。在现代汽车中，40％以上的零件具有螺纹结构，除了简单作定位的螺栓之外，如连杆螺栓、缸盖螺栓等，受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸(交变)载荷、横向剪切(交变)载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还有冲击载荷。通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下，轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。在降低成本的同时，紧固件使用者提出了大幅度减轻重量和超高的强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损；可靠的韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。在潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求其有足够低的延迟断裂敏感性，以及良好的冷镦性能。
目前，汽车螺栓的强度级别可分为4.6～1 2.9级等。6.8级以下别的螺栓大多都采用低碳钢材制造，无需热处理；8.8级一般用ML35钢，亦可用低碳锰钢制造，9.8级螺栓常用碳硼钢制造，10.9级以上大多都采用合金结构钢制造。现在汽车应用较多的高强度螺栓为10.9级，且用量正在逐步扩大。
随着汽车与发动机的高性能化和材料应用应力提高、零件尺寸减少、底盘的轻量
化，对螺栓提出了更高的设计应力和轻量化的要求，而最有效的措施是提高螺栓用钢的使用强度。降低S含量可提高钢的变形能力，降低P含量可降低钢的变形抗力，同时可减少P、S在晶界的偏聚而减轻晶界脆化。降低S还可以减少钢中的非金属夹杂物，改善钢的韧塑性。因此降低钢中的P、S含量不仅可以改善钢的冷镦性能，还可以改善钢的耐延迟断裂性能。
实验表明，S含量对45钢出现裂纹的倾向有很大的影响，降低S含量可使这种倾向大大减少。通常8.8级螺栓用ML35和SURCH35K钢制造。ML35是典型的常规冷镦钢，当截面大小不同时，ML35由于淬透程度不同，虽然采用同一调质工艺，其力学性能却不尽相同。截面越大，淬透程度越低，力学性能也越差。经淬火和高温回火后，表层和心部即使达到相近的硬度，但它们的显微组织却不同。表层为回火索氏体而心部仍是片状珠光体组织。沿截面的组织不均匀，性能也不均匀。1 0.9级螺栓一般用40Cr、35CrMo~9造，但由于硼钢的抗回火稳定性能力低，40B、40MnB~其回火温度比低合金钢低80～1O0~C，因此用硼钢制作的10,9级高强度螺栓的延迟断裂敏感性大。
为了进一步提高冷镦性能和省略球化退火处理，开发低成本的低、中碳高强度硼钢，其成分设计的基本原则是降低含碳量，改善钢的变形能力，加入微量硼以弥补因降碳而造成的强度和淬透性的损失，加入适量的Cr、Mn等合金元素，进一步提高淬透性。由于碳和合金元素含量低，冷加工性能良好，轧材可以直接拉拔和冷镦加工，不需要预先球化退火处理，节约了螺栓的制造成本。
使用廉价的B钢来代替原用含有Ni、Cr、Mo等的高价格合金钢。用非调质钢制造螺栓可省略螺栓冷拔前的球化退火和螺栓成形后的淬火回火处理，还可减轻螺纹牙尖的脱碳倾向，提高螺纹成品率，经济效果明显。非调质钢盘条在冷加工时的硬度较通常为高，这使得加工模具寿命有所降低，因此非调质钢制造的螺栓主要为8.8级。量少的1 0.9级双头螺栓也可采用非调质钢，其用量正在逐步扩大。
目前使用的非调质钢，组织上为低碳含锰的铁素体+珠光体型和体型，并添加有微合金元素Nb、V、Ti等细化晶粒和析出强化元素。采用炉外精炼减少夹杂物并控制成份在较窄的范围，通过控NSLN和控制冷却，细化组织以提高韧性并产生析出强化。鉴于非调质钢轧材的力学性能波动直接影响螺栓的综合性能，因此，非调制钢材的冶金工艺控制十分关键。一些厂家都极为重视非调质钢的应用，取代SWRCH35K生产8.8级高强度螺栓，力学性能都优于调质后的SWRCH35K，这种新型低碳贝氏体钢价格偏高，却是很有前途的新型材料。
紧固件的热处理，除了一般的质量检查和控制外，还有一些特殊的质量检查和控制。在螺纹紧固件检测中，不能简单的根据硬度值，查有关手册，折合成强度值。这中间有一个淬透性因素的影响。因为国家标准GB／T3098.1和国家标准GB／T 3098.3中规定仲裁硬度是在零件横截面的1／2半径处测量。拉力试样也是从1／2半径处截取。因为不排除零件的中心部分有低硬度、低强度部分存在。
一般情况下，材料的淬透性好，螺杆部横截面上硬度能均匀分布。只要硬度合格，强度和保证应力也能达到要求。但是当材料的淬透性差时，虽然按规定的部位检查，硬度是合格的，但强度和保证应力往往达不到要求。尤其是表面硬度趋于下限时。为了把强度和保证应力控制在合格范围内，往往提高硬度的下限值。再回火试验8.8～1 2.9级的螺栓、螺钉和螺柱，应根据实际生产中的最低回火温度低1 0℃保温30min的再回火试验。在同一试样上，试验前后三点硬度平均值之差不得超过20HV。再回火试验可以检查因淬火硬度不足，而使用过低的温度回火来勉强达到规定硬度范围的做法，以保证综合力学性能。特别是低碳马氏体钢制造的螺纹紧固件，采用低温回火，尽管其它力学性能可以达到要求，但测量保证应力时，残余伸长量波动很大，远远大于1 2.5um。而且在某些使用条件下会发生突然的断裂现象。在一些车用螺栓中，已出现过突然断裂的现象。当采用最低回火温度回火后，可降低上述现象。
氢脆的敏感性随紧固件的强度增加而增加。对于10.9级及以上的外螺纹紧固件或表面淬硬的白攻螺钉以及带有淬硬钢制垫圈的组合螺钉等电镀后应进行除氢处理。除氢处理一般是在烘箱或回火炉中，在190～230％下保温4小时以上，使氢扩散出来。螺纹紧固件可用旋紧的办法，在专用夹具上，旋到使螺杆承受相当保证应力的拉力下，保持48小时，松开后螺纹紧固件不产生断裂。
随着汽车、机械行业的发展，对紧固件使用提出了愈来愈高的要求，如汽车、摩托车的高性能和轻量化，对钢材提出了新的功能，这并不能降低零件本身的成本，但有可能降低机器或部件的总成本。实验表明，在添加了Ni、Cr、Mo等元素后，材料本身成本势必提高，但螺栓的耐延迟破坏强度却得到了提高，和原来相比，由于螺栓直径减少，螺栓安装孔亦相应减少，作为被紧固构成尺寸亦相应减少，从而达到整体降低成本之目的。
五、汽车紧固件的质量检验
紧固件虽小，作用却不容忽视。若要真正分析紧固件的作用，这不仅是零部件的问题，而且是整体与部分关系之哲学问题。众所周知，一颗独立的螺丝假如不用，只能放置一旁任人忽视，但对于天上飞的飞机或是在地上跑的汽车、火车等，螺丝却是一个不可或缺的。一旦螺丝松了或是丢了，再精密的机器也不能正常运转，甚至造成悲剧。不可否认，因螺丝引发的悲剧，机器的相关负责人难辞其咎，但在一定程度上，它与螺丝本身的质量也密切相关。
螺栓在汽车上被大量应用，从车轮螺栓、发动机固定螺栓到连杆螺栓、缸盖螺栓，从普通标准件到1 2.9级的高强度螺栓，各种螺栓在紧固着汽车上各种运动件和承受大应力的联接件。
我国汽车紧固件产品常见的质量问题如下。
一、尺寸和螺纹不合格
紧固件属通用零部件，互换性要求较高，尺寸偏差将直接影响其互换性，甚至影响连接强度、防松性能或寿命。螺纹是考核紧固件有效紧固力的重要指标。
二、硬度不合格
硬度也是考核紧固件机械性能的重要指标，紧固件在安装和使用中要按照性能等级确定工作载荷和安装扭矩，因此针对不同的性能材料要对紧固件产品的硬度控制在一个合理的水平。由于高硬度可以降低产品的耐疲劳性能，因此一些企业为了提高产品的强度，将紧固件的硬度控制在较高的水平，使得部分产品硬度超标。
三、脱碳层超标
脱碳层是紧固件质量的主要考核项目，脱碳使得零部件表面硬度和强度大大降低，严重影响紧固件的表面接触强度和疲劳寿命，特别对螺纹部位的危害更为突出。出现脱碳的原因主要是热处理工艺控制不当或热处理设备落后，造成表面碳损失。
我国紧固件行业把好产品质量关，严防质量事故，实行零缺陷管理也许是一个好办法。紧固件零缺陷管理，是一个全新的管理理念是全新的挑战。
零缺陷管理模式基本原则有以下四项。
一是质量要符合客户与市场的客观要求，质量的真谛是诚信，并不仅仅是“好”。
二是质量保证系统是预防，而不是检验，在错误出现之前就消除错误成因，而不是检验和事后把关，通过培训、教育、榜样和领导作用可以预防，必须由高层领导对系统进行持续的关注和衡量。
三是第一次就把事情做好，必须通过对员工的培训、提供时间和装备等资源，到达符合要求的目标。
四是质量标准如果不符合要求，将要付出代价的。
零缺陷的本意强调的是一个决心和一种心态，这种不妥协的态度表现为对任何细小的质量问题决不放过，都要认真找原因彻底解决，以最积极、最认真、最谨慎的态度去预防问题的发生。
预防问题的发生是质量管理的最高境界，其结果表现就是企业的产品符合用户的要求，也就是产品没有缺陷了，这是“零缺陷”管理所要达到的最终目标。一个紧固件企业只有追求零缺陷，用自身的努力最大限度地降低损失，实现“3N”的工序质量控制目标，即不接受不良品，不生产不良品，不转交不良品。达到“不良品流转率为零”的工序质量控制目标。
目前我国的基础设施建设正进行的如火如茶，包括高速铁路在内的众多高科技项目纷纷上马，尤其汽车工业的飞速发展，这些都给我国的紧固件企业带来了巨大市场的同时，对其产品质量也提出了更高的要求。比如汽车中使用的紧固件产品，需要执行更严格的质量标准。每-批次紧固件产品都应该在出厂前经过严格的抽样检测，进行各种力学测试。
六、最 后
总之，追求高效、强韧性和轻量化相结合仍是汽车紧固件钢材与制造精髓，金属材料科学将在其中起着制约的作用。保障汽车紧固件的安全性，同现在打击各类假冒伪劣产品泛滥一样，只能突出重点，综合治理，把真正关键的紧固件筛选出来并加以标识，也是必须解决的问题。近年来，我国的新能源、汽车、电子电器、高铁等一批重点行业出现了迅猛增长势头，紧固件企业也遇到了“搭车”快行的机遇。因此紧固件企业应该重视提升产品的质量，不能单纯的以追求价格战做为竞争的手段，更应调整紧固件产业结构，淘汰落后的紧固件企业，达到产业结构的调整，以不断提高产品质量，促进产业升级。
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