Высокопрочные болты из алюминиевого сплава ZT68: как прочность 600 МПа балансирует облегчение
Итоговое резюме
Литьё под давлением из магниевого сплава используется всё больше, тем не менее стальные болты выглядят всё более напряжёнными: алюминиевые болты 6056 только 420 МПа и не хватает прочности; болты из углеродистой стали имеют достаточно прочности, но корродируют магниевую основу и страдают от несоответствия теплового расширения. ZT68 поднимает прочность на растяжение высокопрочного алюминиевого сплава холодной высадки до свыше 600 МПа, оставаясь близким по потенциалу к магниевому сплаву и соответствуя его коэффициенту теплового расширения. В статье разлагается, как 600 МПа и облегчение выполняются одновременно, и даётся таблица сравнения выбора.
Содержание
Три препятствия, с которыми сталкиваются стальные болты на магниевом сплаве
На проектах корпусов электронного привода NEV или лотков батареи инженеры быстро упираются в тупик: конструкционные детали переключились на литьё под давлением из магниевого или алюминиевого сплава, тем не менее крепёж всё ещё из углеродистой стали.
Первая — коррозия. Электродный потенциал магниевого сплава около −1,6 В, в то время как у углеродистой стали около −0,44 В — разница более 1 В. Во влажных или контактирующих с водой условиях эта разница потенциалов достаточна для приведения в действие непрерывно работающего гальванического элемента: магниевая основа, как анод, постоянно расходуется, резьбовое отверстие корродирует, и соединение в конечном итоге отказывает.
Вторая — несоответствие теплового расширения. Коэффициент теплового расширения магниевого сплава примерно вдвое больше, чем у стали. По мере того как автомобиль подвергается высоко-низкотемпературным циклам, болт и основной материал деформируются по-разному, предварительная затяжка повторно потребляется, и конечный результат — ослабление, аномальный шум и отказ уплотнения.
Алюминиевые болты 6056 на рынке решают коррозию и вес, но их прочность на растяжение только около 420 МПа, что трудно удовлетворить требованиям трёхэлектрических систем NEV к высокому моменту, высокой нагрузке и длинному ресурсу. Прочность, коррозионная стойкость и облегчение давно приходилось выбирать два из трёх.
Откуда берётся 600 МПа
ZT68 принадлежит к семейству алюминиевых сплавов 7-й серии, с прочностью на растяжение стабильно выше 600 МПа, примерно на 40 % выше, чем у основных высокопрочных алюминиевых болтов 420 МПа на рынке. Это число достигается не простым переключением классов; оно совместно определяется системой материала и маршрутом термообработки.
Закалка с растворением, закалка и старение — три шага
- Закалка с растворением: Полностью растворить атомы растворённого вещества, такие как Zn, Mg и Cu, в матрице, подготавливая к последующему выделению.
- Закалка: Быстрое охлаждение создаёт пересыщенный твёрдый раствор, принудительно удерживая атомы растворённого вещества в решётке.
- Искусственное старение: Способствует равномерному выделению тонких дисперсных упрочняющих фаз (таких как MgZn2), которые закрепляют дислокации; это основной источник прочности.
Накатка резьбы после термообработки и формования холодной высадкой
Впадина резьбы — усталостное слабое место болта. Накатка резьбы после термообработки вводит однородный слой остаточного сжимающего напряжения у впадины; растягивающее напряжение в эксплуатации должно сначала погасить этот сжимающий слой, поэтому зарождение усталостной трещины значительно задерживается.
Технические характеристики ZT68
| Позиция | Типичное значение | Примечание |
|---|---|---|
| Система материала | Высокопрочный алюминиевый сплав 7-й серии (Zn-Mg-Cu) | Закалён с растворением + закалён + состарен |
| Прочность на растяжение Rm | ≥ 600 МПа | Против основных алюминиевых болтов 420 МПа |
| Предел текучести Rp0.2 | ≥ 520 МПа | Верхний предел предварительной затяжки устанавливается этим |
| Относительное удлинение A | ≥ 8% | Балансирует прочность и вязкость |
| Плотность | около 2,8 г/см³ | Около 36 % стали |
| Снижение веса | Около 60 %–65 % против стального болта того же размера | По равному объёму |
| Длина резьбового зацепления | 1,3d – 1,5d | Стальным болтам обычно нужно 2d или более |
| Общий коэффициент трения μtot | 0.09 – 0.15 | Контролируется трёхступенчатой системой смазки |
| Солевой туман | Стабильно проходит 60 дней нейтрального солевого тумана | Анодирование + плотная микроструктура работают вместе |
Как прочность и облегчение выполняются одновременно
Многие думают, что прочность и лёгкость должны быть противопоставлены, но ключ в удельной прочности — прочность делённая на плотность.
| Решение крепежа | Прочность на растяжение (МПа) | Плотность (г/см³) | Удельная прочность (МПа·см³/г) |
|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь класс 8.8 | 800 | 7.85 | около 102 |
| Углеродистая сталь класс 10.9 | 1040 | 7.85 | около 132 |
| Обычный алюминиевый болт 6056 | 420 | 2.70 | около 156 |
| ZT68 высокопрочный алюминиевый сплав | ≥ 600 | около 2,80 | около 214 |
Эта таблица показывает две вещи. Первое, хотя 6056 только 420 МПа, его удельная прочность уже превышает прочность стального болта класса 10.9 — само облегчение является своего рода прочностью. Второе, после того как ZT68 поднимает прочность до 600 МПа, его удельная прочность достигает около 214, означая, что он может нести about 1,6 раза нагрузку стального болта класса 10.9 при том же весе. Переведено на реальный проект: стальной болт M8×40 класса 10.9 весит около 21 г, в то время как болт ZT68 того же размера весит около 7,5 г.
Два дополнительных бонуса сверх удельной прочности
Близкий потенциал, подавляющий гальваническую коррозию в источнике
Движущая сила гальванической коррозии — разница потенциалов. Разрыв электродного потенциала между ZT68 и основой из магниевого сплава намного меньше разрыва в 1 В между углеродистой сталью и магниевым сплавом, поэтому движущее напряжение гальванического элемента значительно ослаблено. Вместе с плотной оксидной плёнкой, образованной анодированием, он может стабильно пройти 60-дневное испытание нейтральным солевым туманом.
Близкий коэффициент теплового расширения, устраняющий тепловое ослабление
Чем ближе коэффициент теплового расширения между болтом и зажимаемой деталью, тем меньше падение предварительной затяжки при термоциклах. ZT68 использует алюминиевый материал, чей коэффициент теплового расширения высоко согласован с магниевым сплавом; при циклировании от −40 ℃ до 150 ℃ болт и основной материал деформируются почти синхронно, с очень малым колебанием предварительной затяжки.
Четыре типичных сценария применения
| Позиция применения | Основные эксплуатационные задачи | Где помогает ZT68 |
|---|---|---|
| Система электронного привода (корпус двигателя, фланец редуктора, корпус инвертора) | Долгосрочная высокая температура 150 ℃ + высокий момент | Согласование теплового расширения подавляет падение предварительной затяжки; 600 МПа поддерживает высокий момент |
| Система силовой батареи (магниевый лоток, рама корпуса, пластина водяного охлаждения) | Высокие требования к уплотнению + влажная коррозия | Близкий потенциал убирает движущую силу коррозии; анодирование утолщает защиту |
| Облегчённое шасси (рычаг управления, поворотный кулак, подрамник) | Сложные знакопеременные нагрузки и удары | Накатка резьбы после термообработки создаёт остаточное сжимающее напряжение у впадины, повышая усталостную прочность |
| Крупное литьё под давлением (балка панели приборов, внутренняя структура кузова) | Высокотактная автоматизированная сборка | μtot стабилен при 0,09–0,15, низкий разброс момента |
Совет по выбору и заключение
Когда следует рассматривать ZT68
- Зажимаемая деталь — литьё под давлением из магниевого или алюминиевого сплава, с влажными или контактирующими с водой рабочими условиями;
- Рабочая температура имеет чёткие циклы (напр. от −40 ℃ до 150 ℃), и стальные болты показывают падение предварительной затяжки;
- Проект имеет явные цели снижения веса, и вес крепежа включён в расчёт;
- Сборочная линия использует автоматизированную затяжку и требует низкого разброса момента;
- Монтажное пространство компактно и не может обеспечить длину зацепления 2d+, требуемую стальными болтами.
Когда нужна осторожность
- Зажимаемая деталь из углеродистой стали или чугуна: риски гальванической коррозии и несоответствия теплового расширения низки, и потолок прочности алюминиевых болтов становится главным слабым местом;
- Рабочая температура превышает 150 ℃ в течение долгого времени: стабильность выделенных фаз должна быть переоценена;
- Несущие конструкции с экстремальными спектрами нагрузки: алюминиевые болты имеют низкий модуль упругости, поэтому чувствительные к жёсткости условия требуют специальной верификации.
Трудность облегчения никогда не была в снижении веса отдельной детали, а в том, держится ли соединение после снижения веса. Ценность ZT68 лежит в том, чтобы поместить лёгкость алюминиевого сплава, совместимость с магниевым сплавом и полезную прочность в тот же болт, так что проектировщики, выбирающие облегчённые конструкционные детали, больше не должны идти на компромисс по крепежу.
