CN102310188B

CN102310188B - 一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法和装置

Info

Publication number: CN102310188B
Application number: CN 201110252445
Authority: CN
Inventors: 李桂荣; 王宏明; 赵玉涛; 张勋寅
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: According to work (Ningbo) electronic components fastening device Co., Ltd.
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-08-30
Also published as: CN102310188A

Abstract

本发明涉及硬化铝质紧固件，特指一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法和装置，在颗粒增强铝基复合材料熔体凝固过程中施加高频磁场，利用高频磁场力推动颗粒向紧固件外侧，制备颗粒表层强硬化铝质紧固件，利用该方法和装置制备的紧固件，具有表面强硬度高、使用寿命长、安全性好的优点。

Description

一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法和装置

技术领域

本发明涉及硬化铝质紧固件，特指一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法和装置，在颗粒增强铝基复合材料熔体凝固过程中施加高频磁场，利用高频磁场力推动颗粒向紧固件外侧，制备颗粒表层强硬化铝质紧固件。

背景技术

紧固件（比如螺钉、螺栓、螺柱等）是机械装备中的重要部件，起到连接和紧固不同机械部件的作用，紧固件柱状连接处（非螺帽处）的强度和耐磨性直接决定了紧固部位结合强度、使用寿命及其安全性；传统紧固件材质是钢质（含Cr、Mn的低碳合金钢、中碳钢等）、铜质，随着人们对轻质高强材料的重视，硬铝质紧固件也逐渐发展起来；主要应用的铝质是铝铜（Cu含量3~5%左右）质的硬铝系列，具有硬度高的特点，尤其以2016合金为典型代表，T62态的抗拉强度为370MPa，屈服强度265MPa，延伸率8%。

文献调查结果显示：紧固件的损坏多是因为螺纹处强度不够，在多次紧固操作后螺纹扣缺损造成，提高螺纹处的强度成为紧固件制造行业急待解决的关键问题，本发明针对目前紧固件产业存在的此类问题，运用高频磁场的径向推力作用，发明了一种表面增强铝质紧固件的制备方法，在前期文献和专利中未见报道。

发明内容

本发明的内容是以颗粒增强铝基复合材料熔体作为原料，通过“高频连续铸造表层强硬化紧固件装置“制备表层强硬化紧固件。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一关键技术是按照常规方法制备复合材料熔体，制备颗粒增强铝基复合材料熔体，颗粒通过外加和原位内生都可，重要熔体特征参数有：①以2系列铝合金作为基体材料，如2016、2024都可，特征是具有高强铝合金特征；②颗粒类型以陶瓷颗粒为主，室温弹性模量≥300GPa，如TiB₂、Al₂O₃、SiC等颗粒，具有较高的强度和弹性模量；③颗粒实际体积分数在1~10vol.%之间，太低不能起到强化的作用，太高会破坏材料韧性，脆性增加；④颗粒尺寸在0.5~5μm之间，尺寸小的复合熔体制备成本高，尺寸太大会造成颗粒/基体界面薄弱，容易裂开；⑤颗粒在基体中弥散均匀分布。

具体材料制备方法是：

对于内生颗粒增强铝基复合材料，选择熔体直接反应法，根据颗粒种类选择相应反应盐，比如可选用Al-K₂TiF₆- KBF₄体系制备TiB₂颗粒增强铝基原位复合材料，选用Al-Zr(CO₃)₂或者Al-Ce₂(CO₃)₂体系制备Al₂O₃颗粒增强铝基原位复合材料。

首先将反应盐粉料置于150~180℃烘箱中烘干3~4小时，取出后研磨、筛分至200目的粉末，称重后用铝箔包覆，待用，应物配料方法：依据反应盐收得率、反应方程式、物质密度等参数计算不同颗粒理论体积分数时需要配加的反应盐的量，将选定的2016或2024铝合金作为合金基体，置于熔铝炉中，熔化后控制熔体温度在850℃，用钟罩将反应物粉包压入铝液，反应物粉末与铝液之间发生化学反应，产物即是内生增强颗粒，合成过程中要加强搅拌，目的为促进反应物与铝液间的接触，并促进颗粒在熔体中的弥散分布，可以采用机械搅拌、电磁搅拌和超声分散等方式，通过熔体直接反应法制备的内生颗粒（Al₂O₃或TiB₂）尺寸处于亚微米（＜1微米）级别。

对于制备外加颗粒增强铝基复合材料，首先要人为选择控制颗粒尺寸在0.5~5μm，其次在颗粒与基体复合过程中要加强搅拌，以促进颗粒分散。

第二关键技术是设计“高频连续铸造表层强硬化紧固件装置”，磁场作用区间长度设定300~400mm左右，太短磁场作用区域短，太长设备成本高，集成模具的外层是耐火材料托座，可以在电机带动下循环运动，运动速度在5~20mm/s（太慢效率低，太快磁场作用时间缩短起不到预期效果），磁场区间内停留时间在15~60s之间，随紧固件尺寸减小而增加；中心是耐热无磁钢质紧固件模具，固定在外层耐火材料托座上，随之一起运动；高频磁场入口处接收熔体，在磁场运行时熔体温度下降，颗粒在磁场力作用下向模具外侧迁移，形成紧固件表层强硬化趋势。离开磁场作用区域后，急速风冷后脱模，模具从外侧循环后重新接收熔体，实现紧固件生产的连续操作。

第三关键技术是磁场参数的控制，高频磁场功率调控范围30~50kW，中心磁感应强度对应值0.02~0.03T，随紧固件尺寸增加而增加。

本发明与现有紧固件生产技术相比具有以下优越性：

（1）紧固件表面强度更高，有利于提高紧固件使用寿命和使用安全性；

（2）紧固件材质是颗粒增强铝基复合材料，具有“轻质、高强”的功能性特征；

（3）紧固件生产连续，自动化程度高；

（4）生产成本低，工艺和产品具有“高质量、高效率、低成本、低污染”的优点。

附图说明

图1是高频连续铸造表层强硬化铝质紧固件的装置示意图，图中各项分别代表：1紧固件模具；2高频线圈；3耐火材料模具托座；4.高速风机；

图2 TiB_2p/2016Al-M8紧固件断面从边缘算起不同区域的组织图（放大20000倍），（a）0~2mm外层区域的典型组织，颗粒数量多；（b）2~4mm内层区域的典型组织，颗粒数量少；

图3 Al₂O_3p/2016Al-M14紧固件断面从边缘算起不同区域的组织图（放大500倍），（a）0~3mm外层区域的典型组织，颗粒数量多；（b）3~6mm内层区域的典型组织，颗粒数量少；

图4 SiC_p/2016Al-M22紧固件断面从边缘算起0~4mm（a）和4~8mm（b）区域的组织图（放大1000倍）；（a）0~4m外层区域的典型组织，颗粒数量多；（b）4~8mm内层区域的典型组织，颗粒数量少。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步的阐述，实施例仅用于说明本发明，而不是以任何方式来限制本发明。

实施例一：TiB_2p/2016Al材质的M8螺钉紧固件的制备

熔体特征：①基体选择2016铝合金；②颗粒类型是TiB₂（通过Al-K₂TiF₆-KBF₄反应得到）；③颗粒实际体积分数在2.5vol%；④颗粒平均尺寸在0.5~1μm之间；⑤颗粒在基体中弥散均匀分布。

具体材料制备方法是：

配料：选用Al-K₂TiF₆- KBF₄体系制备TiB₂颗粒增强铝基原位复合材料，2016铝合金作为合金基体，熔炼量4000g；K₂TiF₆加入量是铝液质量的3.1wt%，即124g，KBF₄的加入量是铝液质量的3.25wt%，即130g，此时根据工艺操作经验，设定K₂TiF₆、KBF₄参与反应时的收得率是75%，生成TiB₂颗粒实际体积分数为2.5vol%。

备料：将K₂TiF₆、KBF₄粉料置于150~180℃烘箱中烘干3~4小时，取出后研磨、筛分至200目的粉末，称重后用铝箔包覆待用。

熔炼方法：控制熔化后铝合金熔体于850℃，用钟罩将反应物粉包压入铝液，反应物粉末与铝液之间发生化学反应，如公式（1）所示，产物即是TiB₂内生颗粒：

2K₂TiF₆+2KBF₄+5Al=TiAl₃+TiB₂+6KF+2AlF₃+4F₂ （1）

在颗粒与基体复合过程中持续采用机械搅拌，目的在于促进反应物与铝液间的接触，并促进颗粒在熔体中的弥散分布。

高频磁场参数：将熔体注入固定在外层耐火材料托座上的耐热无磁钢质紧固件模具中，进入高频磁场区域，在电机的带动下随外层耐火材料托座一起运动，

在磁场运行时熔体温度下降，颗粒在磁场力作用下向模具外侧迁移，形成紧固件表层强硬化趋势，离开磁场作用区域后，急速风冷后脱模，模具从外侧循环后重新接收熔体，实现紧固件生产的连续操作，磁场功率30kW，对应中心磁感应强度0.02T，耐火材料托座移动速度20mm/s，磁场内停留时间20s。

截取试样断面，观察从螺纹表面向往紧固件中心2mm区域和2~4mm区域的组织图，如图2所示。

材料性能：将紧固件按照铝合金基体的热处理制度进行处理后进行性能测定，结果为：0~2mm外侧复合材料抗拉强度415MPa，显微硬度59 HV，24h室温干滑动磨损量0.29%；2~4mm内侧复合材料抗拉强度380MPa，显微硬度43 HV，24h室温干滑动磨损量0.46%。

实施例二：Al ₂ O _3p /2024Al材质的M14紧固件的制备

熔体特征：①基体选择2024铝合金；②颗粒类型是Al₂O₃（通过Al-碳酸锆原位反应得到）；③颗粒实际体积分数在5vol.%；④颗粒平均尺寸在2~3μm之间；⑤颗粒在基体中弥散均匀分布。

具体材料制备方法是：

配料：选用Al-Zr(CO₃)₂体系制备Al₂O₃颗粒增强铝基原位复合材料，2024铝合金作为合金基体，熔炼量5000g；Zr(CO₃)₂加入量是铝液质量的1.81wt%，即90.5g；此时根据工艺操作经验，设定Zr(CO₃)₂参与反应时的收得率是75%，生成Al₂O₃颗粒实际体积分数为5vol.%。

备料：将Zr(CO₃)₂粉料置于150~180℃烘箱中烘干3~4小时，取出后研磨、筛分至200目的粉末，称重后用铝箔包覆待用。

熔炼方法：控制熔化后铝合金熔体于850℃，用钟罩将反应物粉包压入铝液，反应物粉末与铝液之间发生化学反应，如公式（2）所示，产物即是Al₂O₃内生颗粒：

13Al+3Zr(CO₃)₂=2Al₂O₃+3Al₃Zr （2）

在颗粒与基体复合过程中采用0.025T的电磁搅拌，搅拌器输入电流150A，频率4Hz，目的在于促进反应物与铝液间的接触，并促进颗粒在熔体中的弥散分布。

在磁场运行时熔体温度下降，颗粒在磁场力作用下向模具外侧迁移，形成紧固件表层强硬化趋势，离开磁场作用区域后，急速风冷后脱模，模具从外侧循环后重新接收熔体，实现紧固件生产的连续操作，磁场功率40kW，对应中心磁感应强度0.025T，耐火材料托座移动速度10mm/s，磁场内停留时间50s。

截取试样断面，观察从边缘到中心3mm区域和3~6mm区域的组织图，如图3所示。

材料性能：将紧固件按照铝合金基体的热处理制度进行处理后进行性能测定，结果为：0~3mm外侧复合材料抗拉强度435 MPa，显微硬度72 HV，24h室温干滑动磨损量0.21%；3~6mm内侧复合材料抗拉强度405 MPa，显微硬度56 HV，24h室温干滑动磨损量0.31%。

实施例三：SiC _p /2016Al材质的M22紧固件的制备

熔体特征：①基体选择2016铝合金；②颗粒类型是SiC（外加方式引入）；③颗粒实际体积分数在8vol.%；④颗粒平均尺寸4~5μm之间；⑤颗粒在基体中弥散均匀分布。

具体材料制备方法是：准备6000g 2016铝合金，选择平均直径4~5μm的SiC颗粒（密度3.2g/cm³），重量690g，此时根据工艺操作经验，设定SiC颗粒加入时的收得率为80%，在750℃条件下熔化2016铝合金，用钟罩压入铝液，在颗粒与基体复合过程中采用超声搅拌和分散方法，目的在于促进反应物与铝液间的接触，并促进颗粒在熔体中的弥散分布。

高频磁场参数及工艺控制：将熔体注入固定在外层耐火材料托座上的耐热无磁钢质紧固件模具中，进入高频磁场区域，在电机的带动下随外层耐火材料托座一起运动，在磁场运行时熔体温度下降，颗粒在磁场力作用下向模具外侧迁移，形成紧固件表层强硬化趋势，离开磁场作用区域后，急速风冷后脱模，模具从外侧循环后重新接收熔体，实现紧固件生产的连续操作，磁场功率50kW，对应中心磁感应强度0.03T，耐火材料托座移动速度5mm/s，磁场内停留时间75s。

截取试样断面，观察从边缘到中心4mm区域和4~8mm区域的组织图，如图4所示。

材料性能：将紧固件按照铝合金基体的热处理制度进行处理后进行性能测定，结果为：0~4mm外侧复合材料抗拉强度420 MPa，显微硬度65 HV，24h室温干滑动磨损量0.25%；4~8mm外侧复合材料抗拉强度395 MPa，显微硬度52 HV，24h室温干滑动磨损量0.36%。

Claims

1.一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）按照常规方法制备复合材料熔体，制备颗粒增强铝基复合材料熔体，颗粒通过外加或原位内生，重要熔体特征参数有：①以2系列铝合金作为基体材料；②颗粒类型为陶瓷颗粒，室温弹性模量≥300GPa；③颗粒实际体积分数在1~10vol.%之间；④颗粒尺寸在0.5~5μm之间；⑤颗粒在基体中弥散均匀分布；

（2）将熔体注入固定在外层耐火材料托座上的耐热无磁钢质紧固件模具中，在电机的带动下随外层耐火材料托座一起运动，进入高频磁场区域，在磁场运行时熔体温度下降，颗粒在磁场力作用下向模具外侧迁移，形成紧固件表层强硬化，离开磁场作用区域后，急速风冷后脱模，模具从外侧循环后重新接收熔体，实现紧固件生产的连续操作；磁场作用区间长度设定300~400mm，耐火材料托座的运动速度在5~20mm/s，磁场区间内停留时间在15~60s之间，高频磁场功率调控范围30~50kW，中心磁感应强度对应值0.02~0.03T；

所述2系列铝合金为2016或2024铝合金；所述陶瓷颗粒为TiB₂、Al₂O₃或SiC颗粒。