汽车安全带螺栓表面处理技术的选用与设计参考

汽车安全带螺栓表面处理技术的选用与设计参考

摘要：汽车安全带螺栓是安全带系统的重要组成部分之一，如何防止螺栓表面腐蚀、保护外观是螺栓设计中的重要课题之一。本文介绍了螺栓紧固件传统的表面处理技术，包括电镀锌、电镀锌镍合金以及近年来逐渐广泛应用的锌铝镀层技术，探讨了最新的电泳涂装技术，并对这些技术进行了比较分析，旨在为汽车安全带螺栓表面处理技术的选择和设计提供参考。

0 简介

安全带是汽车被动安全的重要组成部分，正确佩戴安全带是汽车碰撞时保护乘员安全的重要方法之一。当汽车以一定的速度发生碰撞或翻滚时，安全带中的车辆敏感机构和带敏感机构开始发挥作用，将人牢牢固定在座位上，防止其与方向盘或车内部件发生二次碰撞或飞出车外，从而保护乘员免受伤害。汽车安全带系统的固定点处使用了大量高强度螺栓，主要用于传递拉力和剪力，对车辆实现安全性能至关重要。如何防止螺栓腐蚀生锈、保护外观是螺栓技术需要考虑的重要问题之一。

目前，对于汽车安全带螺栓，根据受力要求一般选用M10或7/16、力学性能等级为8.8级或10.9级的高强度螺栓。螺纹表面公差在表面处理前应控制在2A或6g，电镀后控制到3A或6H，这就要求螺栓表面镀层或涂层不宜过厚。另外，各大主机厂要求的防腐中性盐雾试验至少要求50小时无红锈，部分主机厂甚至要求480小时以上无红锈，因此螺栓表面处理也是安全带及螺栓生产厂家越来越重视的课题[1]。目前，安全带系统高强度螺栓可采用的表面处理技术有电镀、锌镍合金电镀、锌铝涂层、电泳涂装等。 下面详细介绍在安全带系统高强度螺栓的实际应用中，如何选择合适的表面处理技术。

1 传统加工工艺

1.1 电镀锌

电镀工艺一般是利用电解的原理在工件基体表面镀上一层金属，外观就是镀层金属的颜色，中性盐雾试验要求一般大于24小时。电镀锌技术从诞生至今已有几十年的历史，是一种传统的金属镀层处理工艺，利用电解作用在工件表面形成一层均匀、致密、结合力好的锌镀层。由于锌本身的金属性质，在干燥的空气中不易被氧化，但在潮湿的环境中，零件镀锌表面可以生成一层碱性碳酸锌薄膜。这层薄膜具有良好的耐腐蚀性能，可以保护零件基体不易被氧化或腐蚀。即使锌镀层因某种原因被破坏，经过一段时间后，锌镀层和钢基体会结合形成一个微电池，这个微电池会牺牲阳极处的锌，使阴极处的钢基体得到保护[2]。电镀锌技术有以下优点：

1）耐腐蚀性能优良，与基体结合细密均匀，腐蚀液体或气体不易进入其内部。

2）能长期有效地保护基体，由于锌层比较纯净，所以无论在酸性还是碱性环境中都不容易被腐蚀。

3）经铬酸钝化后可形成多种颜色，可根据客户要求选择，其中银色或黑色应用最为广泛。

4）镀锌层延展性好，即使零件在运输过程中受到多处弯曲或撞击，镀锌层也不会脱落。

电镀锌技术也存在两个明显的缺点：

1）其防腐性能一般，在电镀或涂装中其防腐性能最低。一般电镀后的螺栓在72小时内就能通过中性盐雾试验。也有专门的封闭剂增加封闭工序，使电镀锌后的中性盐雾试验可达200​​小时以上，但此操作会增加制造成本，其价格是一般镀锌的5~8倍甚至更多。

2）螺栓等紧固件在电镀锌表面处理过程中，较易产生氢脆。一般来说，设计时不建议对10.9级以上螺栓的表面处理采用电镀锌。虽然电镀锌后可以采取一定的措施如增加烘烤工序来消除氢脆，但是60℃以上温度会破坏钝化膜，所以消除氢脆必须在电镀后钝化前进行。但这样的操作不仅会增加制造成本，而且可操作性较差。因此，一般情况下，如果客户不要求去氢脆处理，供应商不会主动增加去氢脆工序。

1.2电镀锌镍合金

锌镍合金电镀是20世纪90年代以来得到广泛应用的一种钢材阳极保护镀层工艺。在恶劣的腐蚀环境中，纯锌镀层容易被腐蚀破坏，不能满足要求。因此，采用耐腐蚀性能更高的电镀锌基合金层逐渐成为发展方向。锌镍合金镀层是典型代表之一，在螺纹紧固件表面应用领域具有优异的性能和独特的优势[3]。锌镍合金镀层为阳极保护层，一般镍含量在20%以下。锌镍合金电镀根据镀液的酸碱性可分为酸性和碱性两种。锌镍合金镀层非常适合螺纹紧固件等，主要是因为其保护层具有薄、均匀、致密、耐腐蚀性强的特点。主要优点如下：

1）耐腐蚀性能优良。同等镀层厚度的锌镍合金层的耐腐蚀性能是纯锌镀层的4倍以上。锌镀层作为牺牲阳极，能为钢基体提供稳定有效的阴极保护。厚度在螺纹公差范围内为5μm至15μm，可达到长期的耐腐蚀性能。这表明电镀层本身具有很低的腐蚀速度。

2）涂层与钢基体之间有足够稳定的结合力，保证涂层具有较高的耐腐蚀性能。

3）优异的抗热疲劳性能，涂层经-60℃至250℃淬火热处理后，其耐腐蚀性能保持不变。

4）机械加工性与纯锌电镀相当，镀层经变形加工后，仍具有比纯锌镀层更好的耐蚀性。

5)氢脆性低。锌镍合金镀层的氢脆率仅为1.5%，而未经除氢、烘烤工序的电镀锌的氢脆率一般在40%以上。

6)耐磨损性。锌镍合金镀层比纯锌镀层硬度高，因而有较高的耐磨损性。

7)工艺操作简单。

锌镍合金电镀的工艺流程和设备与纯锌电镀相同，不需要特殊的设备。锌镍合金电镀有三个明显的缺点：

1）存在氢脆风险，可能导致高强度螺栓紧固件失效或断裂。

2)不环保。涂层的钝化液一般含有有毒物质，会严重污染环境。

3）由于技术保密的原因，目前市场上大多数锌镍合金电镀厂家并未完全公开镀液配方，这可能造成某些问题难以得到有效解决。

1.3 其他表面处理技术

以往安全带高强度螺栓的表面处理有氧化（发黑）和磷化两种，但由于氧化（发黑）处理基本没有防锈能力，如果不涂油很快就会生锈。但主机厂一般要求螺栓等紧固件的防锈能力至少是中性盐雾50小时不产生红锈，所以这种表面处理技术很快就被淘汰了。磷化处理是经过电化学反应后形成磷酸盐转化膜的过程，涂上防锈油后，中性盐雾只能维持10h~20h，即使涂上高级防锈油，也可能达到72h~96h，但价格会很高，耐磨性和自润滑性能也比较差。所以目前安全带高强度螺栓不单独采用磷化处理。

2. 改进加工工艺

2.1 锌铝涂层

锌铝涂层主要有锌铬涂层（国内称为达克罗）和锌铝涂层，如图1所示。

美国在20世纪60年代末发明了达克罗，在当时的业界引起轰动，被认为是世界表面处理行业里程碑式的产品。达克罗涂层以其无氢脆、涂层薄、耐腐蚀性高等特点而闻名，应用于汽车、铁路、电力、电器、建筑、桥梁、隧道、军工等各大工业领域。达克罗表面处理是一个全封闭的工艺过程，从最初的前处理工序到最后的成膜工序，由于它不像电镀工艺那样有水漂洗工序，基本上不向外界排放严重污染环境的废水。中间烘烤工序的排放主要是水蒸气，基本不含有害物质。所以用达克罗取代电镀锌、热镀锌，确实可以大大减轻传统表面处理工艺对环境造成的严重污染。 但从严格意义上来说，达克罗并不能算是100%的“绿色产品”，不能简单地称之为“绿色电镀”。主要原因是达克罗处理液中还含有约2%的六价铬，这种物质具有剧毒和致癌性，会对人类生存环境造成严重污染。而且随着环境问题越来越受到人们的重视，世界各国政府都加强了对有害物质生产控制的法规制定力度。特别是长期以来被公认为非常有效、广泛用于表面防锈的六价铬化合物，正逐渐受到各国的限制。现在各国的ELV法规都不允许使用六价铬，导致其使用量越来越少。

在此形势下，各国研发机构和公司针对传统达克罗表面处理开发了一些新技术，如德国开发的Delta、日本开发的GOMET、美国的和等[4-5]，近年来在高强度安全带螺栓上得到广泛应用。以GOMET为例，其溶剂不含铬化合物，符合ELV规范，为水溶液，能完全溶解于水，因此操作方便，对自然和操作环境无害。GOMET涂层外观颜色为哑光银灰色，光泽比达克罗略深，是由超细锌片和铝片叠加并用特殊黏合剂包裹而形成的无机涂层。

2.1.1 涂层为钢基材提供保护

1）阻隔保护：处理后的锌皮、铝皮层在钢铁基体与腐蚀介质之间形成一层良好的保护膜，阻止腐蚀介质及去极剂到达钢铁基体。

2）电化学作用：锌层可以作为牺牲阳极被腐蚀，而不会损坏钢基体。

3）钝化：钝化产生的金属氧化物覆盖在表面，减缓了锌层和钢的腐蚀反应。

4）自修复作用：当涂层局部受损时，氧化锌与碳酸盐类物质会覆盖受损部位并对涂层进行主动修复，恢复表面保护功能。

2.1.2 的性能特点

1)涂层薄：涂层厚度通常为8μm~10μm，即使加了封闭层（如 L），其厚度也只增加2μm~4μm。

2）无氢脆：由于涂装过程不采用酸洗，不会析出氢离子，因此无氢脆危险。

3）耐腐蚀性能：以螺纹件为例，8μm~10μm久美特涂层经过720h盐雾试验可达到无红锈；而对于非螺纹件，盐雾试验可达800h以上。若将纯久美特涂层与达克罗涂层相比，其耐盐雾腐蚀性能略弱，但在模拟自然环境的循环腐蚀试验中其性能与达克罗基本相同。

4）抗双金属腐蚀：大多数由锌层与铝或钢制成的涂层会产生典型的双金属微电池，从而导致加速腐蚀，但久美特涂层中的铝鳞片可以避免上述现象，因此不会发生加速腐蚀。

5）耐有机溶剂：作为无机涂层，其性质决定了它具有耐有机溶剂的性能。

6）耐热性：经288℃、3h加热后，其耐腐蚀性能仍不改变。

7）导电性：镀层中堆叠在一起的金属锌、铝片仍具有导电性，能向钢基体传导电流。

乔美特并非简单的“无铬达克罗”，而是一种全新的表面处理工艺。乔美特与达克罗相比，不仅发挥了达克罗高耐腐蚀、无氢脆、涂层薄的特点，还彻底摒弃了达克罗工艺中无法去除的六价铬，真正实现了清洁环保生产，完全可以替代达克罗成为达克罗的升级换代产品。虽然乔美特的涂层处理成本目前仍比电镀高出不少，但随着其大规模应用和技术进步，其价格一定会下降到合理水平。

2.2电泳涂装

电泳涂装是利用外加电场使电泳液中悬浮的粒子迁移并沉积在电极一侧的基体表面上的涂装方法。该原理的发明已有80多年的历史，但其工业化应该是在20世纪60年代以后。21世纪以来，北美各大汽车公司(如通用汽车、福特汽车)的部分紧固件表面处理工艺开始采用阴极电泳涂装代替电镀工序后的钝化处理。与其他新型表面处理工艺相比，阴极电泳涂装技术相对成熟，机械化程度高，漆膜耐蚀性优良，且对环境友好，在汽车零部件上已应用了几十年。随着阴极电泳涂料的更新换代，除了耐蚀性优良的阴极电泳涂料外，具有一定耐候性和耐边缘腐蚀性的阴极电泳涂料也在螺栓生产厂家的生产线上投入实际使用。 国家对环境保护越来越重视，环保法规也越来越严格，对环境基本无害的无铅、无锡阴极电泳涂料和低溶剂含量阴极电泳涂料在国内外工业生产线上得到广泛应用。

国外紧固件行业自20世纪90年代起开始大规模应用电泳涂装，最早采用阳极电泳涂装代替传统浸涂，为防止紧固件拧紧时漆膜脱落，1999年以后开始采用阴极电泳涂装。美国各大汽车生产厂家均已采用电泳槽涂装。汽车紧固件阴极电泳涂装以黑色为主，建筑用紧固件可配置其它颜色。阴极电泳涂装工艺优点如下：

环保。镀锌工艺所用的钝化液中含有六价铬，而阴极电泳涂装所用的电泳漆为水性漆，不含六价铬，不会污染环境。

阴极电泳涂装可有效提高产品的耐腐蚀性能和耐湿热性能，若采用传统电镀锌钝化工艺，通过144小时中性盐雾试验，锌铝涂层耐腐蚀性能可达1000小时以上，但成本较高，且膜层耐湿热性能差，不耐磨。阴极电泳涂装采用其他工艺方案，可实现240小时以上至1500小时的中性盐雾试验和500小时以上的耐湿热试验，漆膜形成后的摩擦系数合适，不会影响产品装配[6]。

阴极电泳涂装的缺点如下：

1）漆膜颜色比较单一，底漆耐候性差，干燥温度较高（180℃）。

2）成本较一般表面处理高，设备投资大，管理要求严格。

3）多种金属制品不宜同时进行电泳涂漆，因为电泳时的工作电压和破坏电压不一致。

4）每隔一段时间需要清理吊具一次，以保证工件的导电性，劳动强度大，劳动强度大。

5）电泳槽底更新周期小于6个月，导致生产成本高，电泳涂装不适用于小批量产品或生产厂家。

目前电泳涂装最典型的应用是PGG公司的® 紧固件涂装工艺。PGG开发了一种名为® XP的新型阴极环氧电泳涂料，专门针对紧固件优化了配方。螺纹部分的耐腐蚀性能得到明显改善，同时外观、扭矩和无氢脆性均能满足主机厂的要求。使用该产品可进行大面积、大批量涂装，自动化生产线可减少工人数量，降低人工成本。此电泳涂装技术已应用于有扭矩要求的汽车安全带螺栓和建筑螺栓。

3 各种加工工艺的比较

上述几种主要表面处理技术的优缺点比较如表1所示。

4 螺栓表面处理技术的应用及前景

传统表面处理中，8.8级螺栓采用最为广泛、质量最为稳定的是电镀锌，只要电镀厂家控制得当，发生氢脆的风险较小，价格也最低，因此是目前高强度安全带螺栓应用最为广泛的表面处理技术之一。若车辆生产厂家没有中性盐雾试验200小时以上无红脆要求，则应优先采用电镀锌。9.8级以上螺栓不建议采用电镀锌，因为氢脆会引起延迟断裂问题。锌镍合金电镀锌与电镀锌一样稳定，表面光滑美观，通过封闭处理，中性盐雾腐蚀要求可达240小时以上，但其价格是电镀锌的两倍以上，且存在可能产生氢脆的问题。

因此，除非主机厂要求盐雾试验超过240小时，否则8.8级及以上的安全带螺栓很少使用。这两种传统的表面处理技术或多或少都存在氢脆和环境污染问题，因此未来的趋势应该是逐步减少它们在安全带螺栓上的使用。

锌铝镀层中的达克罗技术以前存在六价铬对环境不友好的问题，但现在有无铬达克罗解决了这个问题。主要的锌铝镀层技术不再存在氢脆和六价铬问题，工艺比较成熟，成本也不是很高，只比电镀锌高30%左右。因此，它是9.8级以上安全带高强度螺栓最值得推荐的表面处理技术之一。

电泳涂装在轿车车身部件涂装中应用已有数年，是比较成熟的工艺，但国内采用的螺栓供应商不多，且设备投资较大，价格较贵，目前仅有少量安全带螺栓采用，若能降低价格，将是未来值得推广的表面处理技术之一。

目前螺栓表面处理技术还有不少应用有限，如氟碳涂层技术，它是有机涂层中的一种，由氟碳树脂制成。还有复合涂层技术，它是将两种或两种以上的涂层工艺结合在一起的涂层。由于这些新型表面处理技术还存在结合强度、耐磨性、成本高等问题，还需要进一步研究和改进，才能推广应用[7]。

5 结论

综上所述，高强度安全带螺栓的表面处理及防护工艺种类繁多，各有优缺点及使用范围。展望未来，考虑到安全带是汽车最重要的安全部件之一以及各国环保要求日趋严格，应大力推广和进一步开发不存在氢脆风险、不会造成环境问题的表面处理方法。

本公众号由 运营，欢迎大家交流技术心得，感兴趣的朋友可以添加以下微信加入我们的讨论群：

本公众号由 运营，欢迎交流技术信息，请添加以上微信二维码或致电我们：

杜:

委：

共同探讨螺栓预紧力测量相关技术及市场信息，共同推动本行业发展，实现共赢。北京艾法斯特公司（）专注于超声波及视觉螺栓预紧力测量技术，主要产品包括螺栓预紧力测量仪系列产品、螺栓预紧力长期监测产品、智能紧固件、螺栓轴力控制智能紧固工具等。

参考：

[1]宋华,牛利爱.汽车紧固件表面防护技术及其发展方向[J].汽车技术与材料,2007(4):20-21+23.

[2] 张伟明. JMT: 替代达克罗的新型表面处理技术[J]. 材料保护, 2003(4): 15-16.

[3]肖鑫,易翔,郭先劳,等.光亮碱性锌-镍合金电镀工艺研究[J].湖南工程学院学报(自然科学版),2005(1):67-70.

[4] LS, TV, G, 等. 镀液中锌的分析与处理[J]. 金属学报, 2008, 203(3/4):234-239.

[5] C,SARR ET M,BEN BALLA M.用于Zn-Ni镀液的研究[J].化学学报,2002,519(1/2):85-92.

[6]宋华,张叶飞,高若天,等.汽车紧固件阴极电泳涂装研究[J].涂料工业,2009,39(7):29-33.

[7] 董小林, 石小军, 黄彦斌, 等. 螺纹紧固件防腐技术应用现状[J]. 电镀与涂饰, 2016, 35(9): 481-485.