CN107282666A - 一种高强度铝或铝合金紧固件及其制造方法 - Google Patents

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贾晓娇
郗建豪
余传魁
郭双双
周颖
张晓玲
桂林景
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Abstract

本发明创造提供一种高强度铝或铝合金紧固件及其制备方法，获得的紧固件具有2μm以下的晶粒尺寸；杆部晶粒流线呈纵向排布，晶界以小角晶界为主。本发明创造在保持较高塑性的同时，力学性能得到显著提升。

Description

一种高强度铝或铝合金紧固件及其制造方法
技术领域
本发明创造涉及紧固件制造技术领域，特别涉及一种高强度铝或铝合金紧固件及其制造方法，同时，本案提供的方法同样适合于其他中低强度金属材料紧固件的制造。
背景技术
紧固件是作紧固连接用的一类应用极为广泛的机械零件，一般通过将两个或两个以上零件(或构件)紧固连接成为一件整体而发挥作用。为满足紧固需求，往往要求紧固件具有一定的塑性和较高的强度，同时在耐蚀性、高温塑性、放松性等方面也根据应用需要具有一定的要求。
铝及铝合金材料具有良好的塑性，但由于其常温强度低、耐蚀性差、对热处理工艺敏感等问题，限制了其在紧固件领域的广泛应用。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种高强度铝或铝合金紧固件及其制造方法，在保持较高塑性的同时，力学性能得到显著提升。
本发明创造提供的一种高强度铝或铝合金紧固件，具有2μm以下(≤2μm)的晶粒尺寸；杆部晶粒流线呈纵向(与杆部轴向平行)排布，晶界以小角晶界为主。
进一步，所述紧固件杆部分布有亚晶粒。
进一步，所述紧固件头部晶粒密度大于杆部晶粒密度，且头部和杆部交界处具有晶粒富集区。
本发明创造还提供了一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，包括对原材料进行预压处理的步骤，所述预压处理为使原材料一次或多次通过一段角形弯折通道，优选为3-5次。为了便于操作，可以设计具有所述角形弯折通道的预压模具，使原材料在外力推动作用下自所述角形弯折通道一端进入、另一端穿出即可。原材料通过所述角形弯折通道进行转角时，能够使得其内部晶粒变形、细化，使得晶粒尺寸降低，亚晶粒析出，形成纵向的流线排布及小角度晶界。
优选的，所述角形弯折通道的转角呈90°-135°圆角，最优为126°±5°。合适的转角角度一方面能够降低原材料的转角难度，另一方面能够提高晶粒细化和取向排布的速率，使得原材料在低至1次的通过次数下就极大地改善晶粒尺寸和分布，获得力学性能的明显提高。
优选的，原材料通过所述角形弯折通道前，自第二次起，使其相对于前一次进入通道时绕轴旋转(顺时针或逆时针)一定角度；多次通过时，以总旋转角度不小于360°为佳。例如使原材料4次通过所述角形弯折通道时，自第2次起，每次通过前使原材料绕轴顺时针旋转90°。该旋转操作可以使得杆体每次通过转角的弯折方向不同，有利于内部晶粒的均化和取向排布的均匀性。
优选的，原材料通过所述角形弯折通道的速率为0.1mm/s以下，优选为10-4-10- 2mm/s，较缓的通过速率能够使得原材料的各个通过部位晶粒得以充分细化并稳定，并为晶粒取向重排提供足够的动力和时间，是紧固件获得最优力学性能的重要因素。
优选的，所述角形弯折通道的直径比紧固件目标产品的杆部标准直径略大，以大1±0.5mm为佳，略大的通道直径一方面使得预压处理后原材料为后续加工步骤提供一定的加工余量，另一方面有利于预压处理时向角形弯折通道内和/或原材料表面施加润滑。
优选的，所述预压处理过程中，可以根据需要施加润滑和/或进行冷却。其中，施加润滑即添加润滑剂，例如沈阳航达公司生产的二硫化钼，型号为HD7352、HD02-T均可达到预期效果。其中，所述冷却也可以采用多种方式，例如原材料相邻两次通过所述角形弯折通道的间隙进行停顿、自然冷却或水冷，或者在预压模具中添加设置冷却装置等。施加润滑能够降低原材料通过的摩擦阻力，同冷却一起起到控制温度过度升高的作用。
进一步，所述制备方法还包括在预压处理后，对原材料进行终压成型的步骤。所述终压成型目的是使紧固件产品头部成型，形成较大的头部晶粒密度，同时能够在头部和杆部交界处形成晶粒富集区。可以设计专门的终压模具进行头部挤压成型。所述终压成型液可以施加润滑和/或进行冷却。
进一步，所述制备方法还包括在终压成型后的后续加工步骤，包括去毛刺、磨削、攻制螺纹、表面处理、热处理等，使得紧固件形成标准尺寸或获得进一步性能改善。
相对于现有技术，本发明通过反复挤压变形、以细晶强化的方式来提高产品的力学性能，在反复挤压加工过程中，产品的晶粒被不断挤碎，形成细小的亚微米级别的晶粒，经过适当的回复过程，可以获得晶粒尺度为亚微米级别的高强度紧固件产品。
与其他常规的加工变形工艺相比，本发明的主要优势在于可以有效的完成产品的加工，在挤压过程中，除了产品表面与模具接触以外，其他部分均为内部变形，不与外界发生任何接触，从而可以完全的避免加工过程中可能造成的污染。除此之外，过程中不需要在材料中添加任何其他合金成分，可以很好的保持产品的清洁度；在适当的外加载荷下，材料不会发生开裂，这又保证了材料的致密度。
本发明的产品具体地具有以下优势：
1、产品适用于常温或低温下，具有高强度和高耐蚀性的环境；
2、产品晶粒尺寸可达到2μm以下；
3、相对于同种材料加工获得的紧固件，产品强度可提高2倍以上；而塑性损失不超过30％；
4、产品的耐蚀性好，特别是具有优良的抗应力腐蚀性能；
5、在高温条件下，产品的强度会迅速下降，同时塑性急剧增大，理想状态下，可实现超塑性，最大延伸率可达到200％；
6、产品清洁，内部无空隙及污染等冶金缺陷；
7、无需特殊热处理过程，产品最终性能与热处理工艺参数无直接关系，可以有效解决铝合金产品性能对热处工艺敏感的问题。
附图说明
图1为本发明创造紧固件产品内容的晶粒结构示意图。
图2为预压模具的一种结构示意图。
图3为几种终压模具的结构示意图。
图4为不同种铝合金产品经过不同通过次数后的屈服强度结果示意图。
图5为不同种铝合金产品经过不同通过次数后的延伸率结果示意图。
具体实施方式
本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。
本发明紧固件产品的内部结构如图1所示。可以看到，紧固件内具有2μm以下(≤2μm)的晶粒尺寸；产品内部流线明显，杆部晶粒流线呈纵向排布，同时存在大量的小角晶界以及亚晶粒；头部晶粒密度大于杆部晶粒密度，且头部和杆部交界处具有晶粒富集区。
下面以符合AMSQQ-A-225/9的7075铝合金材料为原材料，材料状态为T73，材料规格为12mm的紧固件为例，进行制作及对比分析。
将原材料采用如图2所示的预压模具进行预压处理，预压模具的角形弯折通道位等径通道，其转角呈126°，转角部分内外部分均为圆角，通道直径较产品标准件直径大1mm。使原材料通过所述角形弯折通道的速率为0.01mm/s。当原材料通过所述角形弯折通道的次数大于1时，原材料的总绕轴旋转角度设置为360°，每次旋转角度按照通过通道总次数平均分配。预压处理过程中施加润滑剂润滑并在每次通过通道前对原材料进行自然冷却。
预压处理后，采用图3中一种合适的终压模具进行终压成型，使紧固件产品头部成型。终压成型过程中施加润滑剂润滑。终压成型后，经过去毛刺、磨削、攻制螺纹、表面处理、热处理，获得产品标准件。
表1为上述产品标准件在其他制备条件相同情况下，分别在预压处理过程中经过0次、1次、2次、3次、4次、5次的通道通过后，获得的性能指标。可以看出，预压处理经至少1次通过所述角形弯折通道后，其强度均大幅提高，同时延伸率能够保持在合理稳定的水平。
表1
通过次数 抗拉强度 屈服强度 延伸率 应力腐蚀
0次 357MPa 208MPa 20％ 35天出现裂纹
1次 450MPa 373MPa 12％ 无
2次 466MPa 380MPa 10.8％ 无
3次 480MPa 390MPa 14％ 无
4次 578MPa 430MPa 11％ 无
5次 626MPa 475MPa 11％ 无
采用上述相同工艺，分别对1100、2024、3004、5083、6061、7075等多种铝合金材料为原料，进行不同通过次数的预压处理，其屈服强度和延伸率结果分别如图4和图5所示。从图中可以看出，不同型号的铝合金材料，在经过至少1次通过所述角形弯折通道后，在强度方面均能够大幅提高，延伸率也能够维持在合理稳定的所需水平。
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度铝或铝合金紧固件，具有2μm以下的晶粒尺寸；杆部晶粒流线呈纵向(与杆部轴向平行)排布，晶界以小角晶界为主。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铝或铝合金紧固件，其特征在于，所述紧固件杆部分布有亚晶粒。
3.根据权利要求1所述的一种高强度铝或铝合金紧固件，其特征在于，所述紧固件头部晶粒密度大于杆部晶粒密度，且头部和杆部交界处具有晶粒富集区。
4.一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，包括对原材料进行预压处理的步骤，所述预压处理为使原材料一次或多次通过一段角形弯折通道，优选为3-5次。
5.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，所述角形弯折通道的转角呈90°-135°圆角，最优为126°±5°。
6.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，原材料通过所述角形弯折通道前，自第二次起，使其相对于前一次进入通道时绕轴旋转一定角度。多次通过时，以总旋转角度不小于360°为佳。
7.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，原材料通过所述角形弯折通道的速率为0.1mm/s以下，优选为10-4-10-2mm/s。
8.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，所述角形弯折通道的直径比紧固件目标产品的杆部标准直径略大，以大1±0.5mm为佳。
9.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，所述预压处理过程中，可以施加润滑和/或进行冷却。
10.根据权利要求4所述的一种高强度铝或铝合金紧固件的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在预压处理后，对原材料进行终压成型的步骤。
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