CN111020424B

CN111020424B - 一种高强度铝合金螺栓

Info

Publication number: CN111020424B
Application number: CN201911381942.8A
Authority: CN
Inventors: 王亚利; 闫路; 方翠平; 路志峰; 杨柳; 张艳雷; 郭岳; 杜造
Original assignee: Capital Aerospace Science And Technology Development Co ltd; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering; Capital Aerospace Machinery Co Ltd
Current assignee: Capital Aerospace Science And Technology Development Co ltd; Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering; Capital Aerospace Machinery Co Ltd
Priority date: 2019-12-27
Filing date: 2019-12-27
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2039-12-27
Also published as: CN111020424A

Abstract

本发明涉及一种高强度铝合金螺栓。该高强度铝合金螺栓，由包括以下步骤的方法制备而成：固溶处理：将铝合金螺栓毛坯在380～400℃保温40～50min，然后升温至440～460℃保温40～50min，冷却至室温，得到固溶处理工件；时效处理：将固溶处理工件在150～170℃保温7.5～8.5h，然后升温至200～220℃保温11.5～12.5h，冷却至室温，即得。本发明提供的高强度铝合金螺栓，对铝合金螺栓毛坯经双级固溶处理和双级时效处理后，可满足产品σ_b≥630MPa的强度要求，并可达到优异的塑性，断后伸长率可以达到8％以上，具有重量轻、强度高的特点。

Description

一种高强度铝合金螺栓

技术领域

本发明属于紧固件领域，具体涉及一种高强度铝合金螺栓。

背景技术

在航空航天领域，为了增强螺纹连接的强度，通常使用质量高、强度高的钢制螺栓，如钢45螺栓、钢30CrMnSiA螺栓等，但钢制螺栓在实际应用时存在以下不足：一是钢制螺栓材料的密度大、质量重，使用时会增加机器的整体重量，不适用于飞机、卫星、箭体的轻质化要求；二是钢制螺栓通常采用镀锌钝化或镀铬钝化来达到防腐要求，但由于电镀溶液中含有大量的氢，导致电镀过程吸氢，虽然产品强度较高，但使用时会存在氢脆、铬脆的风险，螺纹容易发生脆断，引起事故的发生。

铝合金材料是公知的轻质材料，但普通铝合金材料的强度较低，无法满足高承载要求。开发一种高强度铝合金螺栓，从而能够替代钢制螺栓在航空航天领域使用，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强度铝合金螺栓，从而解决钢制螺栓在应用时存在的质量重、氢脆或铬脆的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高强度铝合金螺栓，由包括以下步骤的方法制备而成：

1)固溶处理：将铝合金螺栓毛坯在380～400℃保温40～50min，然后升温至440～460℃保温40～50min，冷却至室温，得到固溶处理工件；

2)时效处理：将固溶处理工件在150～170℃保温7.5～8.5h，然后升温至200～220℃保温11.5～12.5h，冷却至室温，即得。

本发明提供的高强度铝合金螺栓，对铝合金螺栓毛坯经双级固溶处理和双级时效处理后，可满足产品σ_b≥630MPa的强度要求，并可达到优异的塑性，断后伸长率可以达到8％以上；相关强度性能能够满足航空航天紧固件的承载需求，优异的塑性能够满足螺栓的机械加工要求，螺栓性能检测结果表明，该高强度铝合金螺栓能够替代钢制螺栓使用，具有重量轻、强度高的特点。

步骤1)中，螺纹加工在所述铝合金螺栓毛坯进行时效处理后进行。螺纹加工可采用滚丝加工。经上述热处理制度处理后的铝合金螺栓毛坯，表现出良好的可加工性，在热处理后再进行滚丝加工，一方面可以提高螺纹的加工质量和加工效率，另一方面也可将螺栓的抗拉强度提高20～30MPa，进一步实现抗拉强度σ_b≥660MPa的强度要求。

所述螺纹为M螺纹或MJ螺纹。将螺栓加工成MJ螺纹，螺纹牙底圆弧半径加工，通过头下圆角强化，能提高抗疲劳性能，施加一定抗拉疲劳载荷，可以实现13万次疲劳试验要求。

将螺纹加工后的工件进行阳极化处理，即得螺栓成品。所述阳极化处理包括将工件依次进行碱腐蚀、流动冷水洗、光化、流动冷水洗、硫酸阳极化、流动冷水洗、填充、热水洗、干燥处理。碱腐蚀处理所用碱液的组成为：NaOH 25～35g/L，NaCO₃ 20～25g/L，溶剂为水。碱腐蚀处理的温度为40～50℃，时间为20～30s。光化处理所用光化液的组成为：浓硝酸300～500g/L，溶剂为水。光化处理在室温下进行，时间为20～30s。硫酸阳极化处理所用电解液的组成为：浓硫酸180～240g/L，溶剂为水。硫酸阳极化处理的温度为13～26℃，时间为30～40min，电流密度为0.8～1.5A/dm²，电压为15V。填充处理所用填充液的组成为K₂Cr₂O₇30～50g/L，溶剂为水。填充处理的温度为97～100℃，时间为20～30min。流动冷水的水温为室温，热水的水温为75～85℃。阳极化处理过程不会吸收氢原子，可有效避免氢(镉)脆断问题，并可达到优异的防腐性能。

步骤1)中，所述冷却为水冷。步骤2)中，所述冷却为空冷。固溶处理和时效处理分别采用水冷和空冷方式，可有效降低残余应力，进一步优化热处理效果。

所述铝合金为7055铝合金。所述7055铝合金由以下质量百分含量的组分组成：Si≤0.1％，Fe≤0.15％，Cu 2～2.6％，Mn≤0.05％，Cr≤0.04％，Zn 7.6～8.4％，Ti≤0.06％，Zr 0.08～0.25％，Mg 1.8～2.3％，其他单个杂质元素≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。采用喷射成形工艺生产的7055铝合金，与上述热处理制度具有极佳的匹配性，相应得到的7055铝合金螺栓具有晶粒细小、组织均匀致密、无宏观偏析的优点，尤其适用于高强度、高承载要求的航空航天紧固件使用。

容易理解，可以采用上述工艺步骤来制备相应的7055螺母，其同样具有高强度、可加工性好等特点。利用本发明制备的7055铝合金螺栓与各类螺母的装配通用性好，既可以与强度匹配的7055螺母装配使用，也可与强度匹配的钢制螺母装配使用，而且7055螺栓与7055自锁螺母反复进行15次拆卸安装后，无咬死现象发生，表现出良好的装配性能。

附图说明

图1为本发明的高强度铝合金螺栓的结构示意图；

图2为图1的左视图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明。以下实施例所用7055铝合金的质量百分含量组成为：Si≤0.1％，Fe≤0.15％，Cu 2～2.6％，Mn≤0.05％，Cr≤0.04％，Zn 7.6～8.4％，Ti≤0.06％，Zr 0.08～0.25％，Mg 1.8～2.3％，其他单个杂质元素≤0.05％，其他杂质元素总量≤0.15％，余量为Al。

实施例1

本实施例的高强度铝合金螺栓，结构示意图如图1和图2所示，包括螺栓头1和与螺栓头1连接的螺杆2，螺杆2上设有MJ螺纹，具体采用以下步骤制备：

1)将7055铝合金线材经冷镦加工，制备螺栓毛坯，将螺栓毛坯按以下方式进行固溶处理：先由室温加热至390℃，保温45min，然后加热至450℃保温45min，水冷至室温，得到固溶处理工件；

2)将固溶处理工件加热至160℃，保温8h，然后加热至210℃，保温12h，空冷至室温，得到时效处理工件；

3)将时效处理工件进行滚丝加工，制备MJ螺纹，然后进行阳极化处理，具体为：

将时效处理工件置于碱液中进行碱腐蚀处理，碱液的组成为：NaOH 30g/L，NaCO₃22g/L，溶剂为水；碱腐蚀处理的温度为45℃，时间为25s；

碱腐蚀处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于光化液中进行光化处理，光化处理所用光化液的组成为：浓硝酸400g/L，溶剂为水；光化处理在室温下进行，时间为25s；

光化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于电解液中进行阳极化处理，电解液的组成为：浓硫酸200g/L，溶剂为水；阳极化处理的温度为20℃，时间为35min，电流密度为1.2A/dm²，电压为15V；

阳极化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于填充液中进行填充封闭处理，填充液的组成为K₂Cr₂O₇ 40g/L，溶剂为水；填充封闭处理的温度为97℃，时间为25min；

阳极化处理后进行热水(80℃)洗，干燥，即得。

实施例2

本实施例的高强度铝合金螺栓，制备一字槽圆柱头螺栓，具体采用以下步骤制备：

1)将7055铝合金线材经冷镦加工，制备螺栓毛坯，将螺栓毛坯按以下方式进行固溶处理：先由室温加热至380℃，保温50min，然后加热至440℃保温50min，水冷至室温，得到固溶处理工件；

2)将固溶处理工件加热至150℃，保温8.5h，然后加热至200℃，保温12.5h，空冷至室温，得到时效处理工件；

将时效处理工件置于碱液中进行碱腐蚀处理，碱液的组成为：NaOH 25g/L，NaCO₃20g/L，溶剂为水；碱腐蚀处理的温度为40℃，时间为20s；

碱腐蚀处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于光化液中进行光化处理，光化处理所用光化液的组成为：浓硝酸240g/L，溶剂为水；光化处理在室温下进行，时间为20s；

光化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于电解液中进行阳极化处理，电解液的组成为：浓硫酸180g/L，溶剂为水；阳极化处理的温度为13℃，时间为30min，电流密度为0.8A/dm²，电压为15V；

阳极化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于填充液中进行填充封闭处理，填充液的组成为K₂Cr₂O₇ 30g/L，溶剂为水；填充封闭处理的温度为97℃，时间为20min；

阳极化处理后进行热水(80℃)洗，干燥，即得。

实施例3

本实施例的高强度铝合金螺栓，制备内六角圆柱头螺栓，具体采用以下步骤制备：

1)将7055铝合金线材经冷镦加工，制备螺栓毛坯，将螺栓毛坯按以下方式进行固溶处理：先由室温加热至400℃，保温40min，然后加热至460℃保温40min，水冷至室温，得到固溶处理工件；

2)将固溶处理工件加热至170℃，保温7.5h，然后加热至220℃，保温11.5h，空冷至室温，得到时效处理工件；

将时效处理工件置于碱液中进行碱腐蚀处理，碱液的组成为：NaOH 35g/L，NaCO₃25g/L，溶剂为水；碱腐蚀处理的温度为50℃，时间为30s；

碱腐蚀处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于光化液中进行光化处理，光化处理所用光化液的组成为：浓硝酸500g/L，溶剂为水；光化处理在室温下进行，时间为30s；

光化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于电解液中进行阳极化处理，电解液的组成为：浓硫酸180g/L，溶剂为水；阳极化处理的温度为26℃，时间为40min，电流密度为1.5A/dm²，电压为15V；

阳极化处理后进行流动冷水(室温)洗，之后将工件置于填充液中进行填充封闭处理，填充液的组成为K₂Cr₂O₇ 50g/L，溶剂为水；填充封闭处理的温度为98℃，时间为30min；

阳极化处理后进行热水(85℃)洗，干燥，即得。

在本发明的高强度铝合金螺栓的其他实施例中，螺栓的类型可以为十字槽沉头螺栓、一字槽沉头螺栓、内六花沉头螺栓，主体的直径规格可以为3～24mm，螺纹可采用M螺纹或MJ螺纹形式。

试验例1

本试验例检测各实施例的螺栓的抗拉强度、断后伸长率及螺纹破坏拉力参照航天标准QJ300A-95的规定执行，耐盐雾性能按照GJB715.1-89的方法进行，检测结果如表1所示。

表1各实施例的铝合金螺栓M5规格的性能检测结果

编号	抗拉强度，MPa	断后伸长率，％	破坏拉力KN	耐盐雾性能，h
					实施例1	726.8	11.56	10.52	480h
实施例2	704.6	13.04	9.98	480h
					实施例3	706.3	13.48	10.06	480h

由表1的检测结果可知，本发明所制备的铝合金螺栓的抗拉强度σ_b≥650MPa，达到钢45对应的破坏拉力要求，能够替代钢45螺栓使用。断后伸长率≥8％，表现出优异的塑性，非常有利于螺栓的加工成型过程。

试验例2

本试验例中，参照实施例1的方法制备7055自锁螺母，将实施例1的7055螺栓与7055自锁螺母进行装配试验，反复进行15次拆卸安装后，无咬死现象发生，表现出良好的装配性能。

Claims

1.一种高强度铝合金螺栓，其特征在于，所述铝合金为7055铝合金，由以下方法制备而成：

1）固溶处理：将铝合金螺栓毛坯在380℃保温40～50min，然后升温至440℃保温40～50min，冷却至室温，得到固溶处理工件；时效处理：将固溶处理工件在150℃保温7.5～8.5h，然后升温至200℃保温11.5～12.5h，冷却至室温，即得；

或2）固溶处理：将铝合金螺栓毛坯在400℃保温40～50min，然后升温至460℃保温40～50min，冷却至室温，得到固溶处理工件；时效处理：将固溶处理工件在170℃保温7.5～8.5h，然后升温至220℃保温11.5～12.5h，冷却至室温，即得。

2.如权利要求1所述的高强度铝合金螺栓，其特征在于，螺纹加工在所述铝合金螺栓毛坯进行时效处理后进行。

3.如权利要求2所述的高强度铝合金螺栓，其特征在于，所述螺纹为M螺纹或MJ螺纹。

4.如权利要求2或3所述的高强度铝合金螺栓，其特征在于，将螺纹加工后的工件进行阳极化处理，即得螺栓成品。

5.如权利要求1所述的高强度铝合金螺栓，其特征在于，固溶处理时，所述冷却为水冷。

6.如权利要求1所述的高强度铝合金螺栓，其特征在于，时效处理时，所述冷却为空冷。