汽车紧固件，新技术解读（简版）

 

汽车紧固件数量多、种类多，包括螺栓、螺柱、螺钉、垫圈、挡圈、销、铆钉、焊钉及组合件和连接副等。

汽车紧固件的需求约占整个紧固件行业总销量的23%左右，行业占比最高。

根据中国汽车工业协会发布的最新数据显示，今年1-2月，我国汽车产销分别完成362.6万辆和362.5万辆，同比分别下降14.5%和15.2%。

2月汽车销量197.6万辆，新能源汽车占比26.6%。其中，新能源汽车市场也恢复增长态势，2月产销分别为55.2万辆和52.2万辆，同比分别增长48.8%和55.9%，市场占有率达到26.6%。 

 

01

新能源汽车紧固件需求

 

新能源汽车市场在不断扩增，得益于国家政策对新能源汽车的扶持力度和汽车产业在新能源汽车业务上的扩大投入，近年来，锂电产业是新能源的基础产业，大力发展锂电产业是国家实现能源变革、完成“双碳”战略目标的重要举措。

 

在《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》等产业政策的指引下，我国锂电产业市场需求将持续旺盛，产业链将持续完善，国际竞争力有望进一步提高，也使新能源汽车发展这一趋势在未来10年内不会减弱。

 

随着新能源汽车的普及，不仅其应用范围和数量不断扩大，紧固件用量也越来越大，在动力电池能量密度和性能不断提升的过程中，紧固件螺纹连接的安全性也成为备受关注与争议的话题。

 

由于新能源汽车上，非金属材料较多其对温度和安全防护的要求极高。因此，紧固件的拧紧装配是新能源汽车装配环节的重中之重。

 

新能源汽车2023年度产销必将创历史新高，通过多年来对新能源汽车整个产业链的培育，各个环节逐步成熟，丰富和多元化的新能源汽车产品不断满足市场需求，使用环境也在逐步优化和改进，在这些措施之下，新能源汽车越来越受到消费者的认可。

 

螺丝君汇总统计：我国生产汽车紧固件的规模企业有130多家，企业类型大致可分为两种：一是大型且具有相当规模的外资、合资和国内紧固件企业，设专责部门负责汽车紧固件生产制造；二是以汽车非标准紧固件产品为主的专业汽车紧固件企业。

 

与国外企业相比生产规模且品质方面尚有一定差距，对新能源汽车高端紧固件供应不足。

 

未来随着市场的快速发展，对高端紧固件的市场需求不断增加，未来发展高端产品，将会成为主流趋势。

 

02

新能源汽车紧固件技术解读

 

1、轻量化材料的应用

新能源汽车设计制造中越来越多的使用镁-铝合金等轻量化材料，钢和镁-铝合金之间由于存在严重的电位差会导致严重的电解腐蚀，钢和镁-铝合金之间的热膨胀系数差异较大也会导致严重的预紧力变化，造成连接处明显松弛，而采用高抗拉强度的铝合金材料紧固件则能克服这些问题。

考虑到汽车轻量化的因素，目前汽车大量使用高强度钢板，某些设计还采用铝合金板，进一步降低整车重量。

金属薄板连接在汽车生产和装配中占据了很大的比重，如汽车白车身的焊接、车身部件的连接和车身内饰件的安装等，利用紧固件连接金属薄板是汽车生产中除焊接以外的主要连接方式，应用铝合金板材主要是考虑到其质量轻，在汽车非重要承载部位代替钢板，铝合金的焊接特性很差，因此多采用紧固件连接。

如车门铰链与车身金属薄板的连接，一般采用双螺钉配合焊接螺母，保证在车辆碰撞或翻滚时车门有效保护乘员，且在事故中连接部位不易变形，乘员能顺利逃生。

选择连接工艺，要考虑避免不同种类的金属薄板叠加连接产生的电位腐蚀。

1）普通螺纹连接

① 不使用螺母的连接，金属薄板连接的部件厚度较大或仅能制出盲孔，则可以使用螺栓或螺钉直接旋入拧紧。

② 与普通螺母配合的连接，也可采用焊接螺栓，或焊接螺柱，先将螺栓或螺柱焊接在金属薄板上，然后安装被连接件，最后用普通螺母固定。

2）采用普通螺纹连接时，要考虑到螺纹防松，一般可采用预紧力控制和预涂锁固胶两种方式。

型式：

① 自攻螺钉连接； 

② 铆接，铆接紧固件，PBSO(PTSO)自铆式螺套；PS（PSS）系列自嵌式螺母；PFH（PFHS）系列自铆螺钉；ARB-HEX系列自铆螺母；TOX联接；

③ 卡扣等。

2、高强度螺栓与耐热螺栓的应用

近年来，随着新能源汽车产业驶入“快车道”，车身的轻量化成为新能源汽车设计的重中之重。

超高强紧固件不仅自身能减重，更重要是能为其他关键零部件轻量化设计提供更大的挖潜空间和安全保障。

目前，国内新能源汽车通常采用10B33、SCr440(40Cr)、SCM435(35CrMo)和SCM440(42CrMo)钢材生产8.8、9.8、10.9级高强度螺栓，超高强度螺栓其最高强度级别为1400Mpa级(14.9级)。

在汽车轻量化趋势下，动力总成系统，一方面，面临着功率密度不断提升的要求，另一方面，又面临越来越严格的排放要求。

高功率密度必然带来压力提高、温度上升、负荷增加，而严格的排放标准又要求减轻重量和减少内部摩擦。

由于新能源汽车对于重量要求近乎苛刻，重量减少对于电池续航里程非常重要。

因此，采用超高强度螺栓不仅仅能够减少螺栓本身的重量，也能够相应的采用更小的螺栓孔，从而被连接件的重量也会大大降低，因此，超高强度螺栓采用对新能源汽车减重，轻量化的意义潜力还是非常大。

超高强度螺栓，主要在新能源汽车发动机上应用，也有开始在变速箱和车桥上使用，在发动机上关键区域，a.连杆；b.缸盖连接；c.主轴承连接；d.飞轮等部位。

超高强度螺栓在新能源汽车底盘上，如转向节轴承连接螺栓应用，螺栓可以采用数量更少，从4颗减至3颗，规格减轻从M12减小至M10。

电池包、电机上，特别应用在电池包上，模组螺栓连接可以从M8减小至M6，电池包车身连接M10减小至M8。

在新能源汽车螺栓／螺柱的连接设计中，设计者不仅要充分考虑螺栓的尺寸、材料、公差等级、机械性能等，还要充分考虑螺栓的应用环境，如温度场（高／低温）、振动、冷热交替、腐蚀性等环境影响因素。

非调质钢具有性能优良、高效节能、使用成本较低、有利于环保节能等突出优点，用于紧固件制造的非调质钢基本为冷作强化型，按组织分类有铁素体+珠光体、铁素体+贝氏体和铁素体+马氏体双相组织3大类。

国标有3个牌号MFT8、MFT9、MFT10。近年开发的 V-Nb、V-Nb-B-Ti 两大合金体系牌号紧固件用非调质钢，正在得到关注并在相关领域推广试验。

SCN430、SCN435节能型非调质冷镦钢，不需热处理，已用于8.8级强度级别产品上。

新能源汽车电池包固定用8.8级M6×840、M6×930长螺柱，采用非调质钢MLF20MnVNb免调质，盘条经拉拔、冷镦、搓丝制成的螺柱长度为830～920 mm,螺柱各项性能达到8.8级要求,且500万次疲劳极限σ_-1为86～101(平均86.40)MPa，满足主机厂(≥80 MPa)要求,该产品最终通过主机厂认证。

可以满足直线度小于0.5mm/m的要求，解决了细长螺柱的热处理变形难题，具有重要的推广价值。

但在实践中发现，目前，非调质钢在高强度紧固件的应用还存在模具磨损问题。

发动机排气系统由于其环境的特殊性和连接件间的密封问题，一直是各汽车厂家研发过程的设计难点。

对于汽车耐热钢紧固件的国产化需求，中国汽车工程学会发布T/CSAE99-2019《汽车紧固件用耐热钢技术条件》及T/CSAE136-2020《汽车高温连接紧固件技术条件》两项团体标准与全国紧固件标准化技术委员会发布GB/T3098.24-2020《紧固件机械性能 高温用不锈钢和镍合金螺栓、螺钉、螺柱和螺母》和GB/T3098.25-2020《紧固件机械性能 不锈钢和镍合金紧固件选用指南》两项国家标准。

团标和国标的主要内容包括了紧固件用耐热材料的相关技术要求、盘条和线材技术要求、耐高温紧固件生产制造技术条件和表面处理技术条件，还有包含力学性能、扭矩测试的系统装配验证技术条件及标识标记、包装交货要求等，适用于发动机紧固件，包括六角螺栓、双头螺柱和螺母等。

目前，国产化的耐热钢或镍合金紧固件，常用的材料牌号，主要有：ML06Cr15Ni25Ti2MoAlVB（GH2132）、ML04Cr11Nb、ML41CrMoV、ML21CrMoV、14Cr17Ni2(1Cr17Ni2)、NiCr20TiAl（GH4080A），Inconel718(GH4169)等。

耐热紧固件，尽管选择有大量的含镍、含铬的耐热材料，但必须通过正确的热处理技术，才能更好地发挥耐热钢的功能。

为此，热处理工艺是提高耐热钢紧固件品质和使用可靠性的重要保证。

高强度的紧固件能够提供更高的夹紧力，减小紧固件尺寸，降低自身重量，从而满足轻量化需求，同时，高强度紧固件还有利于新能源汽车其他结构的紧凑化，从而改善散热和内部摩擦；

耐热紧固件用于解决高温环境下连接失效问题，发动机排气环境温度上升会导致产品的机械性能发生变化，如抗拉强度、硬度的降低产生蠕变或金相组织产生变化导致连接失效。

 

03

螺丝君经验与总结

 

汽车紧固件应用广泛，使用条件多变，失效形式也多种多样。

新能源汽车紧固件氢脆和疲劳，是目前最常见也是损失最大的失效形式。

在汽车整个生命周期中紧固件都可能存在失效的风险。

随着技术的更新迭代和对新能源汽车材料的管理方法也提出更高要求。

未来新能源汽车紧固件的发展在于人工智能、机器学习、大数据和物联网等技术的持续整合和进步。

这些技术的使用，将在预测新能源汽车紧固件材料应用方面提供更高的准确性，从紧固件设计、成形、热处理、表面处理、装配、安装等环节控制品质和提高预防失效的措施，降低风险及失效发生率，这对提高我国紧固件的制造和应用水平乃至汽车车辆的可靠性都有重要意义。

 

摘自《GAF螺丝君》