CN111989414A - 由含钪铝合金制成的紧固件 - Google Patents
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Abstract
用于将至少第一部件和第二部件固定在一起的紧固件,该紧固件包括:‑适合于固定至第一部件和/或第二部件的固定部分(12),以及‑适合于通过操纵器或工具引导,以将固定部分设置在第一部件和/或第二部件中的引导部分(14),其中固定部分和操作部分形成由一种独特的铝合金制成的单件元件,该铝合金具有钪为0.03重量%与0.55重量%之间的组成。
Description
本发明涉及由包含钪作为成分的铝合金制紧固件。紧固件可为任意类型,并且更具体而言,可为从钉子到铆钉、螺栓、螺钉和螺母的任意形状和任意形式。更具体而言,紧固件适合于将至少第一部件和第二部件临时或永久地固定在一起。紧固件包括适合于固定至第一部件和/或第二部件的固定部分,以及适合于通过操纵器或工具引导,以将固定部分设置在第一部件和/或第二部件中的引导部分。
在一些工业中,并且特别是在汽车业和工业应用中,紧固件是必不可少的部件。例如,在汽车工业中,紧固件是将车体板和/或不同部件一起组装到车体上的必不可少的部件。
汽车制造商的主要目标是减轻乘用车的重量。车辆的结构体是车辆的最大结构,因此,对考虑减轻重量以应对环境问题、特别是减少碳排放是理想的。实施使车辆的车体重量最小化的组装方法或组装元件(例如,紧固件)是在不牺牲车辆动力、耐久性和耐撞性的情况下实现重量减轻的关键特征。
作为具体的轻量化措施,通过诸如铝合金或镁合金之类的轻质合金代替钢零件是有效的。
例如,当汽车发动机或变速器壳体应当通过使用镁或铝合金构造以实现轻量化时,为了防止电解腐蚀并减轻重量,期望将钢制紧固零件(例如,螺栓、铆钉、螺母)变为基于铝合金的零件的紧固。
例如,文献EP3121464公开了一种紧固件(例如螺栓),该紧固件适合于紧固多个构件。紧固件包括两个部分。第一部分由第一铝合金制成,第一铝合金包含0.005重量%至5.0重量%的锌以及0.6重量%至2.0重量%的镁。第二部分由第二铝合金制成,第二铝合金包含2.0重量%至5.0重量%的镁以及5.0重量%至10重量%的锌。第二部分与第一部分连接。这种具有由两种不同材料制成的两个不同部分的紧固件制造起来特别复杂。
文献JP11172359涉及制作由铝合金制成的螺钉,铝合金包含0.5%至1.5%的Mg、0.5%至1.5%的Si、0.5%至1.5%的Cu,并且特别是还可以包含0.5重量%的Sc。这种合金能够制作具有特定的拉伸强度调节和扭转强度调节的螺钉。然而,这种铝合金不能用于任意类型的紧固件,并且需要一些处理。US2004140019公开了铝合金铆钉,其包含与第二金属和多达10原子%的第三金属混合的铝,第三金属可为(例如)钪,从而用于制作具有高稳定性的铆钉。US20120055588还公开了一种可用于紧固件主体的合金组合物。然而,US2004140019和US20120055588这两者都提出了几种组分混合在一起并具有重要组成范围的数个列表,使得不可能选择特别是在汽车工业中专用于紧固件的特定组成。
此外,如今使用许多紧固件从而将功能部件或零件固定至车体。减少这种紧固件的重量将显著地影响车辆的整体重量。
因此,仍然需要提供一种轻质且耐腐蚀的紧固件,其由具有足够高强度以正确地固定部件的材料制成,并且能够利用紧固件的常规制造方法形成,特别是通过冷成形形成。
因此,本发明的目的是至少减轻上述缺陷。更具体而言,本发明的一个目的是提供一种易于制造、可靠且足够坚固以用于紧固零件的紧固件或紧固装置,该紧固件或紧固装置用于多种应用,包括但不限于汽车和工业紧固件,特别是用于航空航天应用或用于交通工具零件的紧固件。
为此,根据本发明,提供了用于将至少第一部件和第二部件固定在一起的紧固件,该紧固件包括:
-适合于固定至第一部件和/或第二部件的固定部分,以及
-适合于通过操纵器或工具引导,以将固定部分设置在第一部件和/或第二部件中的引导部分,其中固定部分和引导部分形成由一种独特的铝合金制成的单件元件,铝合金的组成包含0.03重量%至0.55重量%的钪。更具体而言,组成如下:
镁(Mg):4.0+/-1.6重量%
锰(Mn):0.21+/-0.1重量%
钪(SC):0.03重量%与0.55重量%之间
锆(Zr):0.15+0.15/-0.05重量%
锌(Zn):0.21+/-0.1重量%
铝(Al):余量重量%。
铝合金还可包含夹杂元素(incidental elements)和不可避免的杂质。
例如,考虑内部或外部的诸如螺纹和/或盲孔紧固件之类的紧固件。此外,紧固件可以允许永久连接和/或临时连接。更具体而言,紧固件可为螺钉、螺母、螺栓、铆钉和/或盲孔紧固件,特别是在汽车工业中使用的紧固件。特别地,紧固件为冷成形紧固件。
为了实现上述目的,申请人对适合用于紧固件的合金组成和成分进行了广泛的研究。研究特别表明,将特殊稀土元素钪(Sc)作为铝合金中的成分并施以特定比例,从而能够制造满足所有必要技术特征的紧固件。更具体而言,如上所述的紧固件具有高强度和轻重量。试验和经验已经特别地示出了,钪的比例在0.03重量%至0.55重量%的范围内能够进行正确的冷成形制造法。紧固件正确固定部件所需的强度得到提高。这种含钪的铝合金也表现出良好的焊接性能。
根据一个实施方案,钪的浓度在0.05重量%与0.20重量%之间,例如在0.10与0.20之间的重量百分比。钪的浓度可为约0.15重量%。钪的这种浓度对于在成形(例如,冷成形)期间产生足够的延展性和高强度发展以及避免冷成形工艺期间的任何微裂纹而言是特别优化的。这样的范围使得在材料性能和材料成本之间实现了良好的平衡。根据另一实施方案,钪的浓度为0.13+/-0.02重量%。根据另一实施方案,钪的浓度在0.07重量%与0.13重量%之间。该范围使得能够限制铝合金中作为昂贵材料的钪的量,而不会在成形期间显著降低延展性和高强度发展。
根据一个实施方案,除了铝和钪之外,铝合金还包含所示浓度(以重量%计)的以下成分:
Mg | Mn | Zr | Zn |
5.5+0.1/-1.0 | 0.21+/-0.1 | 0.15+0.15/-0.05 | 0.21+/0.1 |
根据一个实施方案,紧固件具有通过冷成形工艺形成的形状。
根据一个实施方案,在固定部分的一部分上形成螺纹。根据应用,根据ISO 965,螺纹尺寸可为M0.5至M39,更具体而言为M3至M39。
根据一个实施方案,紧固件为螺钉、螺柱、螺栓、螺母、盲孔铆螺母或盲孔螺纹嵌件。
根据一个实施方案,紧固件为盲孔铆螺母,并且在形成于紧固件的中心处的孔道的内表面上形成有螺纹。
根据一个实施方案,紧固件为焊接螺母。更具体而言,紧固件为这样的焊接螺母,该焊接螺母具有适合于焊接在第一部件上的第一表面和形成在孔道的内表面上的螺纹,孔道形成在紧固件的中心处,其中孔道适合于容纳第二部件。
根据一个实施方案,紧固件为自冲紧固件。
根据一个实施方案,紧固件为自冲铆钉。
根据一个实施方案,紧固件的拉伸强度(tensile strength)为至少400N/mm2。
根据一个实施方案,紧固件的屈服强度(yield strength)为至少275N/mm2。
根据一个实施方案,铝合金的密度小于3gms/cm3。
参考附图,从作为非限制性实例而提供的实施方案的以下描述中,本发明的其他特征和优点将显而易见。
在附图中:
图1示出了根据本发明的可能实施方案的紧固件的半剖面侧视图,该紧固件为盲孔铆螺母;
图2示出了根据图1的盲孔铆螺母的视图;
图3示出了固定至第一部件的根据图1的盲孔铆螺母的视图;
图4示出了根据本发明的紧固件的第二可能的实施方案,该紧固件为自冲紧固件,特别是自冲铆钉;
图5示出了根据本发明的紧固件的第三可能的实施方案,该紧固件为具有螺纹部分的螺柱。
图6示出了根据本发明的紧固件的第四可能的实施方案,该紧固件为焊接螺母。
图7示出了根据本发明的紧固件的第五实施方案,该紧固件为盲孔铆钉。
在不同的图中,相同的附图标记表示相同或相似的元件。
附图示意性地示出了根据几个实施方案的用于将至少第一部件或元件与第二部件或元件固定的紧固件10、10'、10”、10"'、10"”。
紧固件10、10'、10”、10"'为单件元件(one-piece element),并包括固定部分12和引导部分14。固定部分12适合于固定至第一部件和/或第二部件16(为了清楚起见,在图3中仅示出了第一部件或第二部件16中的一者)。引导部分14适合于通过操纵器和/或工具引导,以将固定部分12设置在第一部件和/或第二部件16中。
紧固件10、10'、10”、10"'、10””由包含钪的铝基合金制成。在下文中,详细说明由这种铝合金构成的根据本发明的紧固件10、10'、10”、10"'、10””,以及合金元素(或成分)的作用和对它们进行限制的原因。在本说明书中,除非另有说明,否则“重量%”应当表示重量或质量百分比。
钪基铝合金(scandium based aluminium alloy)包含以重量百分比计的以下元素或成分:
镁(Mg):4.0+/-1.6重量%
锰(Mn):0.21+/-0.1重量%
钪(SC):0.03重量%与0.55重量%之间
锆(Zr):0.15+0.15/-0.05重量%
锌(Zn):0.21+/-0.1重量%
铝(Al):余量重量%
因此,合金的主要元素仍然为铝(Al),并且铝含量取决于其他元素或成分的含量。
更具体而言,钪的重量或质量百分比为0.15+/-0.05。
这些合金组成具有精密地平衡的合金化学组成(critically balanced alloychemistries),从而产生了具有所需性质的独特混合物(blends),该混合物特别适合用于制作紧固件部件。这些性质包括(特别是在高温下的)提高的热稳定性、显微结构稳定性以及应力-断裂强度和蠕变-断裂强度(creep-rupture strength)。
钪(Sc)含量可为约0.15重量%,并且有利地,钪以0.10重量%至0.20重量%的量存在,或者更精确地是以0.12重量%至0.18重量%的量存在。钪以这样的比例存在能够获得轻质、强度、改善的耐腐蚀性、成形性和提高的再结晶温度。由于钪特别昂贵,因此铝合金中钪的百分比应当受到限制。
镁(Mg)含量以多达5.6重量%的量存在。例如,镁能够以2.4重量%至5.6重量%的量存在。根据一个实施方案,镁可为约5.5重量%。镁是有助于提高室温强度的元素。通过添加钪,消除了镁在高温时蠕变的趋势。在第一组成中,镁含量为(例如)约5.5+/-0.1重量%。在第二组成中,镁含量为(例如)约4.75+/-0.10重量%。
锌(Zn)含量为约0.21重量%,并且有利地,锌以0.11重量%至0.31重量%的量存在。锌是一种通过在老化期间析出Al-Mg-Zn基颗粒(precipitation of Al-Mg-Zn basedparticles)而有助于合金强化的元素。锌改善了表面处理性能。锌不应当超过0.31重量%,以避免耐腐蚀性和强度降低。
锰(Mn)含量为约0.21重量%,并且有利地,锰以0.11重量%至0.31重量%的量存在。锰具有提高在锻造(forging)期间与模具的耐咬合性(seizure resistance)的效果。如果锰的比例小于0.11重量%,那么耐咬合性性能不足以确保正确的成形。相反,锰的比率超过0.31重量%可能不利地影响合金的拉伸性能和可加工性。
锆(Zr)含量为约0.15重量%,并且有利地,锆以0.10重量%至0.30重量%的量存在。锆以这样的比例存在实现了晶粒尺寸的稳定化效果。如果锆的存在量太低或太高,那么可能无法获得紧固件所需的拉伸性能和抗应力腐蚀开裂性。
更具体而言,根据第一组成,钪基铝合金可以具有以重量百分比计的如下成分:
Mg | Mn | Sc | Zr | Zn | Al |
5.5+/-0.10 | 0.21+/-0.1 | 0.15+/-0.05 | 0.15-0.05/+0.15 | 0.21+/-0.1 | 余量 |
第一组成对于诸如盲孔铆螺母之类的紧固件特别有利,这将在下文中参考图1至图3进行特别的描述。然而,第一组成也可用于如上所述的不同类型的紧固件。
根据第二组成,钪基铝合金可以具有以重量百分比计的如下成分:
Mg | Mn | Sc | Zr | Zn | Al |
4.75+/-0.10 | 0.21+/-0.1 | 0.15+/-0.05 | 0.15-0.05/+0.15 | 0.21+/-0.1 | 余量 |
第二组成对于诸如焊接螺母之类的紧固件特别有利,这将在下文中参考图6进行特别的描述。然而,第二组成也可用于如上所述的不同类型的紧固件。
获得的材料的密度可以低于3gms/cm3,例如可为约2.7gms/cm3。
图中所示的紧固件10、10'、10"、10"'、10"”由上述铝合金制成。例如,通过冷成形工艺形成紧固件10、10'、10"、10”'、10””的形状。然而,在其他实施方案中,可以施行其他方法。例如,通过进行拉丝工艺、顶锻工艺和其他已知工艺来制作紧固件。
紧固件10、10'、10"、10"'、10"”的拉伸强度最小可为400牛顿每平方毫米(N/mm2)。例如,拉伸强度在400N/mm2与650N/mm2之间。拉伸强度为紧固件在其断裂之前或在断裂同时沿其轴线可支撑的最大拉力外加负载(maximum tension-applied load)。
紧固件10、10'、10"、10"'、10"”的屈服强度最小可为250N/mm2。例如,屈服强度为250N/mm2至400N/mm2之间。屈服强度对应于在紧固件表现出0.2%的塑性变形之前或之时可沿其轴线施加到紧固件上的最大应力。
紧固件可为铆螺母10。例如,如图1至图3所示,紧固件为盲孔铆螺母10。盲孔铆螺母10可以从一侧完全地锚定到第一部件或第二部件。
附图所示的盲孔铆螺母10具有细长的柄(shank)18,柄18的一端带有凸缘20。柄18可以具有圆形形状或正六边形或正方形或棱柱的形状。柄18在其与凸缘20相对的端部处可为圆锥尖形。由于六边形的外轮廓,当将柄18放置在尺寸与柄18的截面相适应的适当形状的孔中时,防止了柄在孔中的旋转。在其他实施方案中,纵向肋状物(rib)可设置在外轮廓(可为圆形)的一部分上,以防止柄在孔中旋转。尖端有助于将柄20引入到孔中。
凸缘20可以与柄18的纵向轴线X成直角地延伸,并且呈平面圆盘的形状。或者,凸缘可呈多边形形状,例如,正方形或六边形。
孔22延伸穿过凸缘20和柄18的大部分长度,孔22的纵向轴线与柄20的纵向轴线重合。孔22可以在柄的端部封闭。在其他实施方案中,该孔为通孔,并且不在柄18的端部封闭。孔22可以包括邻近柄的与凸缘20相对的端部的第一孔段24,第一孔段24设有用于旋入螺钉或螺栓的内螺纹。第一孔段24与延伸到凸缘的顶部的第二孔段26邻接。第二孔段26可以具有恒定直径,该恒定直径可以大于第一孔段24的内螺纹的外螺纹直径。然而,在其他实施方案中,第二孔段的直径等于或小于第一孔段24的直径。第二孔段26的轴向长度可以对应于柄的最小外径,也称为扳手宽度,但也可以是更大的,例如,以能够安装在较厚的零件中或将几个零件彼此连接。
围绕第二孔段26的柄18的壁形成可变形区域,该可变形区域能够变形成为径向向外拱起的凸起(bulge)28,从而如图3所示将盲孔铆螺母连接到零件上。柄18的最小外径和孔段的内径彼此协调,使得可变形区域的壁的壁厚在最薄位置处为柄的最小外径D的4%至6%,优选地为4.5%至5%。以这种方式,特别是与将盲孔铆螺母制作为冷成形的流动压力零件(cold-formed flow pressure part)有关,获得了可变形区域的变形行为,从而确保了凸缘20与和盲孔铆螺母10连接的零件的均匀接触以及凸缘对该零件的可靠密封。避免了会导致凸缘的翘曲和不均匀接触的零件的变形。通过壁厚直径的特定比率,还使得形成的变形凸起28实现了特别大的径向范围(radial extent),从而可以获得盲孔铆螺母与零件的稳定锚定。
盲孔铆螺母的凸缘的外径对应于壁的外径的至少两倍。在本文中,凸缘20的厚度为壁的最小厚度的至少四倍至五倍。在盲孔铆螺母10的流压中自由地形成凸缘的周边轮廓。
图3示出了将盲孔铆螺母10紧固到金属板(也称为部件16)上。为了连接,可以首先将盲孔铆螺母10的第一孔段24旋入到安装工具的牵引轴柄上,然后将盲孔铆螺母的柄插入到零件的开口中,直到与凸缘接触为止。然后,通过牵引轴柄使孔段朝凸缘的方向移动,安装工具将被支撑在凸缘上。通过这种操作,使可变形区域压缩,使得可变形区域径向向外拱起并形成凸起,该凸起牢固地压在部件远离凸缘的一侧上,从而将盲孔铆螺母固定在该零件中。
为了使盲孔铆螺母与零件密封,可以在凸缘20和零件16之间设置密封环30。密封环30与凸缘的环形槽接合,从而相对于盲孔铆螺母保持在凸缘上的同心位置。环形槽的径向向外边缘稍微小于凸缘的厚度,从而在边缘和零件之间形成环形间隙,在安装该密封环期间,当密封环在盲孔铆螺母和零件之间轴向压缩时,密封环可以进入到环形间隙中。
在图1至图3所示的实施方案中,由柄的外部和孔形成固定部分12。实际上,第一部件或第二部件可拧入第二孔段,从而使第一部件或第二部件组装到紧固件10上,而在柄18的外部上形成的凸起28使紧固件固定至第二部件或第一部件16。
如上所述,可以通过拉丝工艺获得盲孔铆螺母10。
引导部分14可为第一孔段和/或凸缘20。
图4示出了根据本发明的紧固件10'的另一实施方案。图4示出了自冲紧固件10',并且更具体而言,示出了自冲铆钉10'。优选地,围绕纵向轴线X旋转对称地形成自冲铆钉10'。自冲铆钉10'具有铆钉头32以及邻接铆钉头下侧的铆钉柄34。铆钉头32具有顶侧,该顶侧优选地被构造为平面的圆形表面。
此外,铆钉头32具有向头部顶侧横向延伸的圆柱形头部外表面。在铆钉柄内,铆钉头32具有头部下侧36,在这样的情况下,形成的头部下侧以截头圆锥形或圆形形式逐渐变细。换句话说,铆钉柄34因此具有盲孔形式的中心开孔。在这样的情况下,将盲孔的与头部顶侧相对的端面称为头部下侧36。
铆钉头32的同样远离头部顶侧的另一侧可以与头部下侧36区分开。将该侧称为肩部下侧38。铆钉头32优选具有作为围绕纵向轴线X的周边并且径向突出超过铆钉柄34的肩部。肩部下侧38朝向顶部邻接头部外表面并且朝向底部邻接柄部外表面。
将铆钉柄34分成与铆钉头32邻接的柄部分和切削部分40。柄部分大体上呈中空圆柱形形状。因此,柄部分内侧具有圆柱形表面,在这种情况下,将该圆柱形表面称为内部柄表面。由于在铆接过程期间,将自冲铆钉10'的所述端部柄侧冲压到待连接的工件(或部件)上,因此切削部分40在底部处呈相对为锥形的形式。
在图4的实施方案中,引导部分14可为头部顶侧,而由铆钉柄34和铆钉头32的面向工件的一部分形成固定部分12。
图5示出了根据本发明的紧固件的另一实施方案。更具体而言,图5描绘了螺纹嵌件10"。螺纹嵌件10"具有杆和在杆的一端延伸的头部。杆的一部分包括外螺纹42。螺纹嵌件可为螺钉、螺柱、压铆螺柱、螺栓等。
在图5的实施方案中,固定部分12可为螺纹杆。引导部分可为头部。
图6示出了根据本发明的紧固件10”'的另一实施方案。如图6所示,紧固件10”'为与传统螺母的略有不同的焊接螺母,该焊接螺母在其下表面45上具有周边脊部46。为了提高焊接性能,该脊部46可以逐渐变细为呈“V”形结构的环形顶点。焊接螺母10”'包括具有内螺纹50的通孔48,内螺纹50适合于容纳(例如)螺钉。螺钉(未示出)可以构成第二部件。焊接螺母10”'适合于焊接至可由薄金属板构成的工件(未示出)。更具体而言,焊接螺母10”'的下表面45适合于焊接至工件,其中螺钉可以通过上表面52插入到孔中。
图7示出了紧固件的另一实施方案。紧固件10””为由铆钉主体54和轴柄56构成的盲孔铆钉。将铆钉主体54连接至轴柄56,并且铆钉主体54具有带通孔的细长柄,其中轴柄位于该通孔中。在柄的头部端形成有凸缘58,凸缘58采用环形盘的形式并且旨在接触工件。凸缘背离柄的一侧可以设置有平坦的支撑表面,该支撑表面的目的是支撑铆钉安装工具的前端。轴柄的端部可具有适合于在工件中钻孔的自冲部分60。
如上所述,本发明可以包括未在本文中描述的各种实施方案等。在不脱离由权利要求限定的本发明的精神的情况下,可以对设计等进行各种改变。
Claims (14)
1.用于将至少第一部件和第二部件固定在一起的紧固件,该紧固件包括:
-适合于固定至所述第一部件和/或所述第二部件的固定部分(12),以及
-适合于通过操纵器或工具引导,以将所述固定部分设置在所述第一部件和/或所述第二部件中的引导部分(14),
其中所述固定部分和操作部分形成由一种独特的铝合金制成的单件元件,所述铝合金具有如下组成:
镁(Mg):4.0+/-1.6重量%
锰(Mn):0.21+/-0.1重量%
钪(SC):0.03重量%与0.55重量%之间
锆(Zr):0.15+0.15/-0.05重量%
锌(Zn):0.21+/-0.1重量%
铝(Al):余量重量%。
2.根据权利要求1所述的紧固件,其中所述钪的浓度在0.10重量百分比与0.20重量百分比之间。
3.根据权利要求2所述的紧固件,其中所述钪的浓度为0.15重量百分比。
4.根据权利要求1所述的紧固件,其中所述钪的浓度在0.07重量百分比与0.13重量百分比之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中在所述固定部分的一部分上形成螺纹。
6.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件为螺钉、螺柱、螺栓、螺母、盲孔铆螺母或盲孔螺纹嵌件或盲孔铆钉。
7.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件为盲孔铆螺母(10),并且在形成于所述紧固件的中心处的孔的内表面上形成有螺纹。
8.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件(10"')为焊接螺母,该焊接螺母具有适合于焊接在第一部件上的第一表面和形成在孔道的内表面上的螺纹,所述孔道形成在所述紧固件的中心处,其中所述孔道适合于容纳所述第二部件。
9.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件为自冲紧固件。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件为自冲铆钉(10')。
11.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件的拉伸强度为至少400N/mm2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件的屈服强度为至少250N/mm2。
13.根据前述权利要求中任一项所述的紧固件,其中所述紧固件材料的密度小于3gms/cm3。
14.制造根据前述权利要求中任一项所述的紧固件的方法,其中通过冷成形工艺形成所述紧固件。
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