周飛 陳安紅 鄭蔚光 何海

鎂合金是新能源電驅(qū)動總成殼體理想的輕量化材料。為解決鎂合金殼體與緊固件之間的電偶腐蝕，須采用鋁合金螺栓方案。與傳統(tǒng)鋼制螺栓進行對比，分析了鋁合金螺栓配合鎂合金殼體進行裝配的優(yōu)勢，并研究了鋁合金螺栓應用中的嚙合長度計算、表面處理選擇和裝配工藝制定問題。關(guān)鍵詞：鋁合金螺栓;新能源電驅(qū)動總成;鎂合金

0 前言

受動力電池質(zhì)量、續(xù)航里程的限制，新能源汽車的輕量化已成為新能源車企首要考慮的問題。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，新能源汽車每減少100 kg質(zhì)量，可減少20%的電池成本[1]。根據(jù)2020年國家發(fā)布的最新“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”，新能源汽車動力總成的集成設計仍是現(xiàn)階段的發(fā)展重點。隨著新能源動力總成的集成化程度越來越高，殼體在總成中的質(zhì)量占比越來越高，動力總成殼體輕量化對于新能源整車續(xù)航里程的提升意義重大。

鎂的密度大約是鋁的三分之二，不到鋼或鑄鐵的四分之一，是工程應用中最輕的金屬材料之一。除此之外，它還有具有較高的比強度和比剛度、較好的延伸率和抗沖擊力、良好的機械加工性能和尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)良的電磁屏蔽能力，以及較好的材料可回收性[2]。因此，鎂合金是1種非常理想的新能源汽車輕量化材料。

近年來，鎂合金大多用于駕駛艙內(nèi)飾零件上，如方向盤骨架、儀表盤支架和座位架等。這些零件主要在一般環(huán)境下服役，幾乎不需要考慮鎂合金的防腐蝕問題。但是，電驅(qū)動總成位于前艙非封閉空間內(nèi)，其服役環(huán)境是各種大氣環(huán)境，偶爾存在鹽水飛濺環(huán)境[3]。因此，鎂合金電驅(qū)動總成殼體除了須考慮鎂合金本身的防護以外，還需要使用鋁合金螺栓解決鎂合金殼體與緊固件的電偶腐蝕。本文探討了采用鋁合金螺栓方案的優(yōu)勢，并研究了鋁合金螺栓應用須解決的幾個問題。

1 鋁合金螺栓方案的應用

使用鋁合金螺栓，首先是為了解決鎂合金殼體與緊固件的電偶腐蝕問題。金屬的抗氧化能力取決于其表面氧化生成的氧化膜的致密程度。致密且連續(xù)的氧化膜可以限制氧原子通過，從而抑制內(nèi)部金屬繼續(xù)氧化。致密度系數(shù)α是金屬氧化物和生成該氧化物所消耗金屬體積的比值。幾種常用金屬元素的α值見表1[4]。鎂的致密度系數(shù)α為0.78，被氧化后表面形成疏松多孔氧化膜，氧原子可以通過氧化膜的縫隙直接到達基體繼續(xù)氧化，因此鎂合金氧化膜對基體的保護作用有限，因此鎂合金不適用于大多數(shù)的腐蝕環(huán)境。

鎂的化學性質(zhì)十分活潑，標準電極電位為-2.36 V，這導致鎂合金的耐腐蝕性很差。在電解質(zhì)中，鎂很容易作為陽極產(chǎn)生嚴重的電偶腐蝕[5]，而作為陰極的金屬基本不會發(fā)生腐蝕。

通常，鎂合金殼體和緊固件一般為異種金屬連接，容易產(chǎn)生電偶腐蝕，其腐蝕模型如圖1所示。鎂合金殼體和緊固件的電偶腐蝕是2個反應式，分別為鎂的陽極反應和其他金屬的陰極反應[6]。

電偶腐蝕電流決定電偶腐蝕的速度，電偶腐蝕電流I可以用下列公式表示[7-8]。

式中，EK和EA分別是陰極和陽極的腐蝕電位，單位V;RK和RA分別是陰極和陽極的極化電阻，RE是電解液的電阻，RM是陰極和陽極金屬的接觸電阻，單位Ω。

在一般情況下，RE和RK比RA和RM小很多，因此式1可以簡化為式2。

式中，EK和EA分別是陰極和陽極的腐蝕電位，單位V;RK為陰極的極化電阻，RE為電解液的電阻，單位Ω。

由式2可知，電偶腐蝕電流隨陰極和陽極金屬的腐蝕電位差增大而增大。鎂作為陽極，與它接觸的金屬之間的電位差越大，越容易引起腐蝕。有些金屬如鐵、鎳、銅等，與鎂的電位差很大，可引起鎂的強烈腐蝕。而另一類金屬如鋁、鋅、鎘、錫等，導致的電偶腐蝕傾向則較小[9]。根據(jù)此原理，采用鋁質(zhì)緊固件可以減小與鎂合金殼體的電偶腐蝕。

為了對比鋁質(zhì)緊固件和鋼制緊固件與鎂合金殼體接觸的耐腐蝕性能，本文將EN AW-6056材質(zhì)的鋁螺栓擰至AZ91D鎂合金殼體上，在室溫下將其浸泡在1% NaCl溶液中100 h。試驗后的殼體在進行清洗烘干后，腐蝕情況如圖2所示。在圖2（a）中，鋁合金螺栓和鎂合金殼體腐蝕情況較好，基本沒有發(fā)生點蝕;在圖2（b）中，鋼制螺栓和鎂合金殼體表面均產(chǎn)生了嚴重的點蝕。

與鋼制螺栓相比，除了可以從根本上解決鎂合金殼體電化學腐蝕問題外，鋁合金螺栓配合鎂合金殼體還有以下其他優(yōu)點[10-11]：（1）每個緊固件可以減少60%的質(zhì)量，使用在電驅(qū)動總成合箱法蘭面位置可以大大降低總成的質(zhì)量。（2）鎂合金和鋁合金的熱膨脹系數(shù)相近，與鋼的熱膨脹系數(shù)大約相差1倍。鋼制螺栓和鎂合金殼體螺紋聯(lián)接副由于溫度變化將產(chǎn)生附加應力，常常會使螺栓頭下殼體表面壓應力超過鎂合金材料的抗壓強度，從而造成鎂合金殼體表面的材料蠕變，最終導致鋼制螺栓的預緊力衰減。鋁合金螺栓配合鎂合金殼體有利于消除或降低熱應力，減小鎂合金殼體材料的蠕變，從而改善預緊力的保持能力（圖3）。（3）鋁合金的剛度小，同樣的軸向力對應的伸長量與擰緊轉(zhuǎn)角大，適合采用扭矩轉(zhuǎn)角法擰緊。當被連接件承受外載時，可以減小螺栓上的交變負荷。（4）鋁的致密度系數(shù)α>1，可以在其表面形成氧化層，從而起到防腐蝕作用，因此鋁合金螺栓不需要額外的表面處理。

除了采用鋁合金螺栓以外，接頭連接處盡量不采用易積存電解液的沉孔結(jié)構(gòu)，而采用凸臺結(jié)構(gòu)可以進一步減小鎂合金殼體產(chǎn)生電偶腐蝕的風險。

2 鋁合金螺栓的應用問題

2.1 鋁合金螺栓和鎂合金殼體嚙合長度計算

在螺紋連接中，由于過載導致的內(nèi)螺紋滑牙不易發(fā)現(xiàn)，且內(nèi)螺紋零件的維修成本高，所以在螺紋連接設計時，接頭過載失效模式應為螺栓斷裂而不能是內(nèi)螺紋拉脫。在螺紋規(guī)格、材料強度一定的情況下，螺紋嚙合長度的增加可以提升抗剪切截面積，提升內(nèi)外螺紋的剪切強度。

根據(jù)《VDI 2230高強度螺栓連接的系統(tǒng)計算規(guī)范》[12]，最小嚙合長度meff的計算公式如式3所示。

式中，Rm max為螺栓最大抗拉強度，單位MPa;As為外螺紋應力橫截面面積，單位mm2;P為螺距，單位mm;dmin為外螺栓最小外徑，單位mm;D2 max為內(nèi)螺紋最大螺紋中徑，單位mm;C1、C3為修正系數(shù)，對于內(nèi)螺紋盲孔一般均取1.000和0.897;τBM為內(nèi)螺紋剪切強度，取抗拉強度的50%，單位MPa。

以鎂合金殼體材料AZ91D、鋁合金螺栓材料EN AW-6056和動力總成常用的合箱法蘭面螺栓規(guī)格M8螺紋為例，計算得出螺紋最小嚙合長度meff約為1.7 d（螺紋公稱直徑，單位mm），相同規(guī)格8.8級的鋼制螺栓，嚙合長度則需要達到2.7 d。

2.2 鋁合金螺栓表面處理的選擇

因鋁合金相對于鋼的強度要低很多，為獲得和相同規(guī)格8.8級鋼制螺栓相當?shù)难b配預緊力，鋁合金螺栓的擰緊方式須采用超彈性擰緊法。在工程實踐中，可以通過扭矩-轉(zhuǎn)角法達到超彈性擰緊。該裝配工藝可以減小螺栓預緊力的離散度。同時，鋁合金螺栓需要穩(wěn)定的摩擦系數(shù)，通過降低量產(chǎn)緊固件的摩擦系數(shù)差異，穩(wěn)定擰緊扭矩和在交變負荷下的鎖緊力。

為了穩(wěn)定摩擦系數(shù)，當今最常用的鋁合金螺栓表面處理采用含高分子聚合物的水性潤滑劑[13]。該潤滑劑采用浸漬方式涂覆，烘干后在螺栓表面形成潤滑膜，可保證鋁合金螺栓和鎂合金殼體內(nèi)螺紋的摩擦系數(shù)控制在0.09～0.16范圍之間。

因密封介質(zhì)中的成分可能會破壞潤滑膜，在選擇表面處理時還需要考慮密封介質(zhì)對摩擦系數(shù)的影響，在實際應用中應盡量選用對密封介質(zhì)不敏感的潤滑劑，并嚴格控制液態(tài)密封介質(zhì)的用量。

2.3 扭矩-轉(zhuǎn)角裝配工藝的制定

上述方案的有效性可以通過轉(zhuǎn)矩失效試驗來驗證。如圖4所示，技術(shù)人員依次對6個樣本的螺栓加載扭矩直至失效，并記錄從開始擰緊到螺栓屈服，再到失效的扭矩轉(zhuǎn)角曲線。

試驗結(jié)果表明，6個樣本的失效模式均為螺栓斷裂，證實了嚙合長度設計符合要求。螺栓的屈服扭矩為15.66～19.07 N·m，平均屈服扭矩為17.96 N·m，屈服扭矩離散度為7.1%。根據(jù)常用擰緊槍的量程（一般為50.00 N·m），確定起始扭矩為11.00 N·m，屈服角度均在45 °左右，因此可以確定該鋁螺栓接頭的擰緊工藝為起始扭矩11.00 N·m，屈服角度45 °。經(jīng)確認，在該工藝下螺栓預緊力也符合設計要求。

3 結(jié)論

鋁合金螺栓可以從根本上解決新能源電驅(qū)動總成鎂合金殼體的電偶腐蝕問題。本文研究了鋁合金螺栓在新能源電驅(qū)動總成殼體上應用的一些問題，并得到以下結(jié)論。

（1）鋁合金螺栓與鎂合金殼體的嚙合長度為1.7 d，比相同規(guī)格的鋼制螺栓可以減小1.0 d的嚙合長度。使用鋁合金螺栓可以使被連接件的結(jié)構(gòu)變得更為緊湊，同時相應的材料用量也減小了。

（2）鋁合金表面處理一般為表面潤滑，選擇表面處理時還須考慮密封介質(zhì)的影響。

（3）通過扭矩失效試驗，驗證了鋁合金螺栓嚙合長度符合設計要求，同時確定了扭矩轉(zhuǎn)角的工藝參數(shù)。

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