CN1190274C - 预涂层铝合金部件的制备 - Google Patents

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Abstract

提供一种铝合金紧固件部件的制备方法，包括以下步骤：提供由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备的处于未处理状态的具有规定的热处理温度的铝合金紧固件部件；提供一种含酚醛树脂的可固化有机涂料，该涂料在铝合金紧固件部件热处理温度下可固化；把所述含酚醛树脂的有机涂料涂敷到所述的铝合金紧固件部件上；和热处理涂敷有含酚醛树脂的有机涂料的铝合金紧固件部件至其最后热处理状态，从而同时处理所述铝合金紧固件部件和固化所述有机涂料；得到涂敷的铝合金紧固件部件，其极限剪切强度大于165480kPa。

Description

预涂层铝合金部件的制备
技术领域
本发明涉及涂层铝合金部件的制备，更准确地说，涉及涂层铝铆钉的制备。
背景技术
紧固件用来机械连接飞机的不同结构元件和组合件，例如，个大型运输机典型地含有100万以上的紧固件例如螺栓，螺钉和铆钉。紧固件由强合金例如钛合金、钢和铝合金制成。在某些情况下，紧固件经热处理如通过沉淀硬化时效处理，以便对该特定合金达到尽可能相当高的强度，以及其它所需性能。热处理通常包括一系列一个或多个下述步骤：在可控气氛中控制加热、在某温度下保持一段时间以及控制冷却。对每一特定材料选择这些步骤以达到其所需物理机械性能。在其它情况下，紧固件以加工态状态使用。
通常的做法是用有机涂层涂敷某些类型的紧固件以防止紧固件的基底金属腐蚀损坏。常用方法是，先制出紧固件再把它热处理到其所需强度。热处理后，用苛性苏打浴腐蚀紧固件，以除去热处理中产生的氧化皮。任选地，对紧固件进行阳极化处理。溶解在挥发性载液中的涂料通过喷涂、浸渍或类似技术涂敷在紧固件上。挥发掉载液。涂层紧固件加热到高温并保持一段时间以固化涂层。在结构生产中使用成品紧固件。
这种涂覆方法对于由高熔点基底金属制成的紧固件，例如由钢或钛合金制成的紧固件，特别适用。这些紧固件在大大高于涂层固化温度的温度下进行热处理。结果在完成紧固件热处理后进行的涂层的固化并不有害地影响已处理基底金属的性能。
另一方面，铝合金具有比钢和钛合金低得多的熔点，因而通常热处理温度低得多。以往并不用可固化涂层涂敷高强度铝合金紧固件，因为据观察，涂层的固化处理能有害地影响紧固件的强度。从而铝合金紧固件比不固化处理的情况更易受腐蚀。另外，对于钛合金和钢，有机涂层的存在促进了紧固件的安装。没有涂层意谓着安装铝紧固件例如铆钉必须使用液态密封化合物以便防止腐蚀。液态密封化合物典型地含有有毒成分，因而需要采取预防措施来保护使用它的人员并保护环境。它也肮脏难于操作，并可能需要用苛性化学溶液代价昂贵地清洗紧固件周围的区域。
发明内容
现在要求改进的方法来保护铝基紧固件例如铆钉。本发明满足这种需要并进一步提供了相关的优越性。
本发明提供了一种铝合金部件例如紧固件，更准确地铆钉的制备方法。对于一个可热处理部件，部件进行热处理以具有好的机械性能并且也使用固化有机涂层保护。对于冷加工部件，涂层是在部件仍处于所需形变状态下涂敷和固化的。涂层的涂敷并不有害影响部件的最终所需性能。完成本方法的附加成本在每个紧固件的未经保护的成本上增加远不到百分之一。
根据本发明，铝合金部件例如铆钉或其它紧固件的制备方法包括下述步骤：提供一个不在其最终所需热处理和机械状态的铝合金部件前驱体，提供一种可固化有机涂料。涂料含有的非挥发性部分主要是有机物并且涂料在大约铝合金部件前驱体的热处理温度下可固化。该方法进一步包括：把有机涂料涂敷在铝合金部件前驱体上；在热处理温度下把涂层铝部件前驱体热处理到其最终热处理状态，热处理时间应足以把铝热处理到其最终所需热处理和机械状态，并同时固化有机涂层；制成部件。
当该方法用于高强度铝紧固件例如铆钉时产生了意外的出人意料的技术和成本优越效果。铝合金紧固件呈现出由它本身或所需形变状态经过热处理所产生的完全所需强度。达到规定强度值很重要，因为铆钉的用户，例如飞机的客户，不会允许牺牲机械性能以达到改善的耐腐蚀性。相反，过去他们既要求令人满意的机械性能，也使用液态密封料以达到令人满意的耐腐蚀性。另一方面在本方法中，部件既有令人满意的机械性能；也有一个涂层来达到令人满意的防腐蚀性。因而，在安装根据本发明方法制备的紧固件的过程中不需在紧固件及紧固件在被镦锻之前插入的孔的接合面上施加液态密封料。
对于大型货运机内的700,000以上的铆钉，安装方法不要求液态密封料可对每架飞机节省几百万美元的成本。不使用液态密封料也改善了紧固件安装中的工作质量，因为不可能象施加液态密封料时那样漏下一些紧固件。涂层紧固件比未涂层紧固件在使用过程中更耐腐蚀。
在第一方面，本发明提供一种铝合金紧固件部件的制备方法，包括以下步骤：
提供由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备的处于未处理状态的具有规定的热处理温度的铝合金紧固件部件；提供一种含酚醛树脂的可固化有机涂料，该涂料在铝合金紧固件部件热处理温度下可固化；把所述含酚醛树脂的可固化有机涂料涂敷到所述的铝合金紧固件部件上；和热处理涂敷有含酚醛树脂的有机涂料的铝合金紧固件部件至其最后热处理状态，从而同时处理所述铝合金紧固件部件和固化所述有机涂料；得到涂敷的铝合金紧固件部件，其极限剪切强度大于165480kPa。
在第二方面，本发明一种根据上述第一方面的方法，进一步包括在涂敷有机涂料之前，阳极化处理铝合金紧固件部件的步骤。
在第三方面，本发明一种根据上述第二方面的方法，其中阳极化是这样进行的，在阳极化步骤中不化学密封该铝合金紧固件部件。
在第四方面，本发明一种根据上述第二方面的方法，其中阳极化步骤包括在铬酸中阳极化处理铝合金紧固件部件。
在第五方面，本发明一种根据上述第一方面的方法，其中提供铝合金紧固件部件的步骤包括提供处于完全退火状态的铝合金紧固件部件的步骤。
在第六方面，本发明一种根据上述第一方面的方法，其中涂敷步骤包括向铝合金紧固件部件喷涂有机涂料，然后从喷涂的涂层中除去挥发性组分。
在第七方面，本发明一种根据上述第一方面的方法，其中热处理步骤包括沉淀时效该铝合金紧固件部件的步骤。
在第八方面，本发明一种根据上述第一方面的方法，其中，提供铝合金紧固件部件的步骤包括提供7050铝合金紧固件部件的步骤，热处理步骤包括将该7050铝合金紧固件加热到121℃保温第一段时间，然后将该紧固件部件加热到179℃保温第二段时间。
在第九方面，本发明一种根据上述第八方面的方法，其中，加热步骤包括将7050铝合金紧固件部件加热到121℃保温4至6小时，然后将该铝合金紧固件部件加热到179℃保温8至12小时。
在第十方面，本发明一种铝合金紧固件部件，由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备，并包括含酚醛树脂的有机涂层，其中，铝合金紧固件部件和含酚醛树脂的有机涂层具有相似的热处理温度，从而同时处理铝合金紧固件部件和固化含酚醛树脂的有机涂层，并且所述铝合金紧固件部件具有大于165480kPa的极限剪切强度。
在第十一方面，本发明一种铝合金紧固件部件的用途，该紧固件部件用于将组合件紧固在一起制成飞机，该铝合金紧固件部件由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备，并包括含酚醛树脂的有机涂层，其中，铝合金紧固件部件和含酚醛树脂的有机涂层具有相似的热处理温度，从而同时处理铝合金紧固件部件和固化含酚醛树脂的有机涂层，并且所述铝合金紧固件部件具有大于165480kPa的极限剪切强度。
在第十二方面，本发明一种根据上述第十方面的铝合金紧固件部件，其中所述紧固件部件的极限抗剪强度约为234430kPa至241325kPa。
在第十三方面，本发明一种根据上述第十方面的铝合金紧固件部件，其中热处理步骤包括在从121℃的温度下对紧固件部件进行4至6小时的第一热处理，然后在179℃进行8至12小时的第二热处理。
在第十四方面，本发明一种根据上述第十三方面的铝合金紧固件部件，其中所述紧固件部件的极限抗剪强度约为282695kPa至317170kPa。
在第十五方面，本发明一种根据上述第十方面的铝合金紧固件部件，其中所述的有机涂料包括酚醛树脂和有机溶剂。
在第十六方面，本发明一种根据上述第十方面的铝合金紧固件部件，其中该紧固件部件选自螺栓，螺钉和铆钉。
在第十七方面，本发明一种根据上述第十方面的铝合金紧固件部件，其中所述铝合金紧固件部件是铝合金紧固件前驱体，所述可固化的有机涂料具有非挥发性部分，它主要是有机的，并在固化温度下可固化。
从下文优选实施例的更详细描述连同附图可明显看出本发明的其它特性和优点，它们通过实施例描述了本发明的原理。
附图说明
图1是本发明方法第一个实施例的工艺流程图。
图2A是本发明方法第二个实施例的一种形式下的工艺流程图。
图2B是本发明方法第二个实施例的另一种形式下的工艺流程图。
图3是本发明方法第三个实施例的工艺流程图。
图4是用于连接两个工件的凸头铆钉紧固件在镦锻前的简要剖视图。
图5是用于连接两个工件的顶锻铆钉紧固件在镦锻前的简要剖视图。
图6是用于连接两个工件的埋头铆钉紧固件在镦锻前的简要剖视图。
图7是图5的埋头铆钉紧固件在镦锻之后的简要剖视图。
具体实施方式
如图1所示，首先提供一个未处理(即未涂敷和退火的)部件。本发明的优选实施例涉及制备紧固件例如铆钉，下文将重点讨论这些部件。本发明的使用并不局限于紧固件和铆钉，相反它是更广义应用的。然而它在紧固件上的使用提供了将要讨论的特定优点。
提供一个铆钉40，编号20，对一个铆钉，紧固件或其它加工到其传统形状和尺寸的部件使用本发明，图4-6描述了处于把第一工件42连接到第二工件44的安装中间阶段的三种类型的铆钉40，即处于已安装到第一和第二工件之后但在镦锻之前。图4中的铆钉40在一端有一个预制凸头46，图5中的铆钉40′是顶锻铆钉，每一端都没有预制凸头，图6中的铆钉40″在一端有一个预制埋头46″，它位于部件42的埋头孔内。本发明可用于这些和其它类型的铆钉。
铆钉40由一种铝基合金制成。此处所用的“铝合金”或“铝基”是指合金含有大于50重量百分比但小于100重量百分比的铝。典型地，铝基合金含有大约85-95重量百分比的铝，其余为合金元素和少量杂质。合金元素以精确控制的数量添加以便随意地调整铝合金的性能。混合添加到铝中以调整其性能的合金元素包括，例如，镁、铜、锌以及其它元素。
在一个感兴趣的情况中，铝合金是可热处理的。部件首先被制成所需形状，这种情况下是紧固件例如铆钉，选择的合金元素应使制作形状可以被加工以具有相对柔软状态，优选地通过把它加热到高温保持一段时间然后淬火到低温，一种称为固溶处理/退火的工艺。在该固溶处理/退火工艺中，溶质元素溶解进入合金母体(即固溶处理)并通过快速淬火保留在固溶状态，母体本身同时退火(即退火)。
部件经固溶处理/退火后，它可进一步经加工以提高其强度数倍从而具有使用的所需高强度性能，这种典型地通过沉淀硬化时效工艺的进一步的加工，可通过两种方式之一完成，即或者通过加热到某一高温保持一段时间，称为人工时效，或通过在室温保持很长一段时间，称为自然时效。在传统铝协会术语中，不同的人工时效沉淀处理，某些结合有中间形变，产生了T6，T7，T8或T9状态；而自然时效沉淀处理产生T4状态(铝协会的热处理，合金类型术语及类似术语在该行业中为人们接受，并将在此处使用)。某些合金要求人工时效，而其它合金可能以任一方式时效处理。通常两种类型的材料都可制作铆钉。
在两种类型的时效中，由于在铝合金基体中形成第二相粒子，典型地称为析出物，结果出现强化。总起来说，所有导致其强化的工艺步骤一般都称为“热处理”，其中部件经受一段或多段高温处理并保持某段时间，并选择加热和冷却速率以促进产生所需最终性能。对于标准铝基合金，在参考文件中可查到并得到为达到特定性能所需的温度、时间和其它参数。
用于铆钉应用的最令人感兴趣的特定人工时效铝基合金是7050合金，其组成含有铜约2.3重量百分比，镁2.2重量百分比，锌6.2重量百分比，锆0.12重量百分比，其余为铝和少量杂质。(其它合适的合金包括但并不局限于，2000，4000，6000和7000系列可热处理铝合金)；这种合金在市场上可从几个铝公司购到，包括ALCOA，Reynolds，和Kaiser。在制作成所需形状例如图4-6中所示的那些形状之一后，该7050合金可被完全地固溶处理/退火以具有约234430-241325kPa(34000-35000每平方英寸磅(Psi))的极限剪切强度。这种状态的获得一般在紧固件的制作工艺包括机加工，锻造或者成形为所需形状之后。因为它在为优化材料的强度和其它性能所需的最后时效热处理过程之前，故在此处，这种状态称为“未处理状态”，在沉淀强化热处理工艺之前，部件可经历多种成形操作并定期地按所需再退火。
在成形(并任意地再退火)后，7050合金可在约121℃(250°F)的温度下热处理4-6小时。然后温度直接从121℃(250°F)升高到约179℃(355°F)并保持一段8-12小时的时间，接着进行室温空气冷却。这种热处理的最后状态称为T73状态，它在7050合金中产生了约282695-317170kPa(41000-46000psi)的强度。这种强度适于紧固件应用(这种沉淀硬化时效步骤在图1的步骤26中接着进行)。
返回到图1方法的讨论，未处理紧固件任选地经化学腐蚀、喷丸处理或者加工以粗化其表面，然后在铬酸溶液中阳极化处理，编号30。铬酸溶液可在市场购到或通过在水中溶解三氧化铬制得。优选地铬酸溶液在水中的浓度约为4％铬酸，并且在处于从约32℃(90°F)到约37℃(100°F)的温度。要阳极化的部件在适度搅拌的铬酸溶液中作为阳极，施加的DC电压为约18-22伏。优选地阳极化继续30-40分钟，但发现更短的时间也可行。阳极化操作在铝合金部件上产生一个约2.54×10-6-7.64×10-6米(0.0001-0.0003英寸)厚的强粘附氧化物表面层，该表面层促进了下一步涂敷的有机涂层的粘附。阳极化也可用来化学密封铝部件表面。这种情况下，已发现以这种方式化学密封其表面并不令人满意，因为化学密封往往妨碍了下一步涂敷的涂层与铝合金部件之间的强烈键合。
也以不同的阳极化时间试验了其它阳极化介质。硫酸、磷酸、硼酸和化学腐蚀在不同程度上可行，但在产生导致下一步涂敷的涂层能够强粘附的所需类型氧化物表面方面不十分成功。
提供涂料，编号22，优选地它在溶液中以便可随时均匀地涂敷。涂料的通常功能是防止它所涂敷的基底金属腐蚀，包括例如，传统的电解腐蚀、电池腐蚀和应力腐蚀。涂料的配方主要为一种有机组成，但可以含有添加剂以改善最终涂层的性能。它最好开始时溶解在载液中以便能把它涂敷到基体上。涂敷后，涂料可固化以便有机成分内实现结构变化，典型地有机分子交联以改善涂层的粘附和内聚。
这种可固化涂层不同于不可固化涂层，不可固化涂层有不同的性能并且不适于本发明的防蚀应用，对于不可固化涂层例如清漆，不必把涂层部件加热到高温以进行固化，也不产生与使用可固化涂料相连的使本发明成为必要的过时效问题。
在涂敷涂层之前进行的阳极化工艺，优选地在铬酸中的作用是促进了有机涂层与铝合金部件基体之间的强烈键合。很显然既通过物理联锁又通过铬酸激活化学键合效应促进了这种键合。为了达到物理联锁效应，如前所述阳极化表面在阳极化中工艺中没有进行防止水的侵入的化学密封。下一步涂敷并固化的有机涂层起了密封阳极化表面的作用。
许多可固化有机涂料可从市场获得并用于本发明工艺中。一个典型并优选的这种类型的涂料包含混有一种或者各种增塑剂，其它有机成分例如聚四氟乙烯和无机添加剂例如铝粉末和/或铬酸锶的酚醛树脂。这些涂料成分优选地溶解在一个适宜的某一数量的溶剂中以得到所需的应用粘度。对于刚讨论的涂料，溶剂是乙醇、甲苯和甲乙酮的混合物。一个典型的可喷涂的涂敷溶液含有约30重量百分比的乙醇，约7重量百分比的甲苯以及约45重量百分比的甲乙酮作为溶剂，以及约2重量百分比铬酸锶，约2重量百分比的铝粉末，其余为酚醛树脂和增塑剂。任选地可添加少量的聚四氟乙烯。这种产品在市场上可以Hi-shear Corporation Torrance，CA作为“Hi-Kote 1”购买到。正如生产商所推荐的那样，它的标准高温固化处理为400°F±25°F下1小时。
涂料被涂敷到未处理紧固部件上，编号24。可以使用任何适宜的方法例如浸渍、喷涂或刷涂。在优选的方法中，涂料溶解在溶剂中的溶液被喷涂到未处理铆钉上。或者在室温或者稍高温度通过干燥从涂敷状态的涂层除去溶剂，以便涂层部件干燥到可以触摸。优选地，通过在93℃(200°F)下快速置放约2分钟完成溶剂的挥发。这时的涂层部件不适于使用，因为涂层没有充分固化并粘附在铝合金基底金属上并且因为涂层的内聚力不足以抵抗使用中的机械损伤。
在优选的Hi-Kote 1的情况下，在扫描电子显微镜中通过EDS分析来分析喷涂状态涂层。重元素以下述重量百分比存在：Al，82.4％，Cr 2.9％，Fe 0.1％，Zn0.7％，Sr 13.9％。在涂层中检测到轻元素例如碳、氧和氢，但由于这些元素的EDS分析通常不准确，故没有报告。
铆钉部件的基底金属和涂敷的涂层一起加热到某一适宜的高温，编号26，以同时达到两种效果。在这单一步骤中，铝合金通过人工时效被沉淀硬化处理到其最终所需强度状态。而涂层被固化到其最终所需结合状态。优选地，步骤26的处理所选择的温度和时间应能使铝合金基底金属达到所需性能。正如对于该特定铝基合金在工业中为人使用的并业已证明的工业标准中所提供的那样。这个处理典型地不是涂料生产商所规定的那种并且可能对涂层没有产生最佳的固化状态，但已经确定，与有机涂层的固化处理情形相比，金属的热处理与最佳处理差别稍小，可以为人接受。即发明人表明，与金属的热处理相比，涂层的固化能容许时间和温度与令人满意的结果之间有更大的差异。与预期和生产商的说明书相反，通过未经推荐的工艺固化的涂层在使用过程中呈现出与铝合金基体之间令人满意的粘附和其它性能。因而，使用所推荐的金属热处理得到金属的适宜物理性能和涂层的极好性能。
在上面讨论的优选的7050铝基合金和Hi-Kote 1涂层的情况下，优选的热处理是7050合金在121℃(250°F)下进行T73沉淀硬化时效工艺4-6小时，然后从121℃(250°F)跃升到179℃(355°F)并在179℃(355°F)保温8-12小时，并用环境空气冷却到室温。
因而，沉淀硬化人工时效工序26比有机涂层生产商所推荐的，有更长的保温时间和不同的温度。开始时有一种担心即超出涂层标准固化所需值之外的更高温度和更长时间会在使用过程中恶化涂层及其使用过程中的性能。这种担心证明是没有根据的。如图4-7中简要所示，最终涂层48强烈粘附在基底金属铝合金上并且也是强烈内聚的(在图4-7中，夸大了涂层48的厚度以使它能可见，实际中涂层48在经步骤26中的处理后典型地为约7.62×10-6-12.7×10-6米(0.0003-0.0005英寸)厚)。
经涂敷和处理的铆钉40即可用于安装，编号28。紧固件以适于其类型的方式安装。如图4所示，在铆钉40的情况下，铆钉放在穿过置于密配合接触的两块工件42和44内的已对准的孔内，镦锻(塑性形变)铆钉40的凸出远端50以便工件42和44机械锁住在铆钉的预制头46和成形头52之间。图7描述了对于图6的埋头铆钉情况的膨径铆钉40″，其它类型的铆钉的膨径铆钉有相似的一般形式。如图7所示，即使在镦锻后涂层48也保留在铆钉上。
安装步骤反映了本发明的优点之一。如果紧固件上未涂敷涂层，则必须在铆钉镦锻时在孔内和配合面上放置一种粘性的液态密封料以覆盖接触面。液态密封料对工人有潜在的毒性，且肮脏，难于使用，而且在安装铆钉后必须用苛性化学溶液对工具和工件42、44的裸露表面进行代价昂贵的清洗。此外，据观察残余液态密封料的存在阻碍了后来涂敷的漆表面涂层在铆钉头上的粘附。在本发明之前，虽然多年来做了大量努力来取代液态密封料方法，但它是达到足够耐蚀性的唯一可行技术。本发明的涂敷措施克服了液态密封料的这些缺点。在安装过程中不需要或不用液态密封料。另外，后来涂敷的漆表面涂层在涂层铆钉头上粘附良好，这是一个重要的优点。因为漆粘附不好，故使用液态密封料有时造成难以漆过铆钉头。
本发明已被简化到实施7050合金制成的铆钉。用Hi-Kote 1和另一种无铬涂料Alumazite ZY-138涂敷初始时处于未处理状态的铆钉。(Alumazite ZY-138是可从Tiodize Co.，Huntington Beach，CA购得的一种可喷涂涂料。其组成包括2-丁酮溶剂、有机树脂和铝粉末)。利用121℃(250°F)下保持4-6小时的人工时效处理把涂层铆钉沉淀硬化处理到T73状态，然后从121℃(250°F)跃升到179℃(355°F)并在179℃(355°F)下保持8-12小时，接着用环境空气冷却到室温。
根据MIL-R-5674机械检测涂层铆钉以证实它们满足了未涂层铆钉达到的282695-317170kPa(41000-46000磅每平方英寸)的所需双极限剪切强度要求。测试中，双极限剪切强度为293038-299933kPa(42500-43500磅每平方英寸)，它在允许范围内。每种类型涂层铆钉的圆柱长度被镦锻到直径为1.6倍于其初始直径以评价其打入性。即使在经受最大形变区域的镦锻区的周边也未观察到任何裂纹或剥落。也安装并接着除去铆钉以便用扫描电镜评价其涂层完整性。涂层没显示出任何迹象的裂纹、剥落或任何其它不可接受的状态或异常。后一结果尤其重要和令人意外。即使经过镦锻工艺造成的严重形变，涂层也保留在铆钉上。因而安装后涂层在原地保留从而防止铆钉腐蚀，省去了任何使用液态密封料的必要。
当铝合金通过图1所述的方法进行自然时效回火处理时，铝合金将由于为固化有机涂层所需的加热步骤26而过时效。对于某些紧固件应用，铝合金的过时效是可接受的。在其它应用中，过时效可造成不令人满意的性质，必须加以避免。图2A和2B描述了为得到在已经过自然时效回火处理的合金上涂敷可固化有机涂层的有益工艺。
图2A所示的一种方法中，装备了已选择进行自然时效回火的沉淀硬化处理的铝合金铆钉毛坯，编号32。所提供的铆钉毛坯尺寸与其中不使用可固化涂层的传统工艺精制的尺寸相比稍微过大(即更大的直径)。通过自然时效进行沉淀硬化处理到T4状态的优选铝合金是2117合金，其名义成分为0.4-0.8重量百分比的镁，3.5-4.5重量百分比的铜，0.4-1.0重量百分比的锰，0.10重量百分比的铬，0.2-0.8重量百分比的硅，0.7重量百分比的铁，0.25重量百分比的锌，0.15重量百分比的钛，各最高0.05重量百分比的其它元素，其它元素的总和不大于0.15重量百分比，其余为铝。该2117合金可在市场上从几个铝公司包括Alcoa，Reynolds和Kaiser购得。该合金可通过室温下保持至少约96小时的自然时效而沉淀硬化处理到T4状态，产生的剪切强度约179270-206850kPa(26000-30000psi)。(这种自然时效热处理步骤接着在图2A和2B的步骤37中进行)。该方法对于其它可用自然时效的沉淀硬化处理进行时效的合金也可行，例如2017，2024，6061合金。
紧固件被形变到不同于，并典型地大于所需最终尺寸的大小，编号34，本发明人称这种状态为“正常过大”。对于圆筒对称的铆钉的情况，铆钉毛坯优选地拉拔到一个正常过大直径，典型地比所需最终尺寸大10-15％。该正常过大的拉拔的毛坯根据推荐给该铝合金的工艺进行固溶处理/退火，编号36。在优选的2117合金的情况下，在476-510℃(890-950°F)下保持1小时完成固溶处理/时效，然后淬火。铆钉毛坯根据对于正加工合金的推荐进行自然时效，在2117合金的情况下为室温保持最少约96小时，编号37。然后通过冷加工，典型地拉拔，把经拉拔并固溶处理/退火和时效的毛坯形变到其最终所需直径，编号38，该步骤称为再拉拔或冷加工。(然而，等效地对于本目的，可使用步骤34把铆钉毛坯形变到比所需最终尺寸小的尺寸，用步骤38把铆仃毛坯形变到大的最终尺寸，如通过冷镦操作那样。)。这种冷加工赋予铆钉轻微的形变。经冷加工的铆钉毛坯任选地进行阳极化处理，优选地在络酸溶液中，并优选地使用先前叙述的方法使其处于未密封状态，编号30。涂料以溶液形式提供，编号22，并涂敷到铆钉毛坯上，编号24。步骤30，22和24如上文中图1所述那样。那些叙述引入此处。
涂层紧固件毛坯进行固化，编号26。最佳的固化是由生产商推荐的，最优选地如前所述204℃(400°F)下保持1小时。然而，取决于步骤38中在紧固件上进行的冷加工水平，可以使用一种改良固化操作。该改良固化过程是191℃(375°F)下保持45分钟，并已表明产生了与涂料要求相符的令人满意的结果。固化操作往往有过时效铝合金的效果，通常铝合金只要求自然(室温)时效来实现其完全强度。然而，最令人惊奇地，现已发现在步骤36的固溶处理/退火和步骤37的自然时效之后进行的步骤38的附加冷加工操作能补偿步骤26的过时效效果，并造成最终铆钉通过涂敷和时效达到令人满意的铝合金性能，但不过时效。
对于热处理和涂敷要进行自然时效回火处理的部件，图2B所示是图2A方法的一个变化，提供处于过大状态的铝合金铆钉毛坯，编号32。把该铆钉毛坯拉拔到或成形到其最终尺寸，编号34(它与图2A的步骤34不同，步骤34中铆钉毛坯被形变到正常过大直径)。已拉拔的铆钉毛坯进行固溶处理/退火，编号36，和自然时效，编号37。不需要如图2A工艺中那样拉拔到最终尺寸的步骤38。其余步骤22，30，24和28如前面图2A所述一样。其描述引入到这里。
图2B的方法已成功地实施到2117铝合金。与传统起始直径4.7×10-3-4.724×10-3米(0.185-0.186)英寸相比，提供的铆钉处于约5.08×10-3-5.207×10-3米(0.200-0.205英寸)的过大直径状态，步骤32。在步骤34中该过大铆钉毛坯被拉拔到直径4.7×10-3-4.724×10-3米(0.185-0.186英寸)并在步骤34中冷镦到直径4.75×10-3-4.775×10-3米(0.187-0.188英寸)。图2B的其它步骤如先前对2117铝合金所述的一样。达到了T4回火的所需强度，另外铆钉被粘附的涂层保护。
在图2A和2B的工艺中，步骤34和38中的从步骤32的起始过大直径形变得到铆钉毛坯的附加机加工，以及包含在固化步骤26中的附加加热，都造成最终强度和其它机械性能满足这种类型的紧固件的所需标准和规格。附加机加工往往把机械性能提高到允许界限之上，而固化过程中的附加加热把机械性能降低回到允许范围。精确均衡这些效果甚至能允许机械性能设定在大多数标准允许范围的高端或低端。
一些合金在使用没进行固溶处理/退火和沉淀硬化处理，而是以具有形变诱导强度最低值的冷加工状态使用。很显然这些合金的所需形变状态不适于加热到高温以固化涂层。然而现已表明例如图3中为本发明第三个优选实施例所述的工艺允许以形变诱导的强化状态使用合金，并且也允许用可固化涂层涂敷合金。一个最佳的这种合金是5056-H32，其名义成分为4.5-5.6重量百分比的镁，0.1重量百分比的铜，0.05-0.20重量百分比的锰，0.30重量百分比的硅，0.40重量百分比的铁，0.05-0.20重量百分比的铬，0.10重量百分比的锌，最高0.05重量百分比的任何其它元素，其它元素的总重量百分比为0.15，其余为铝。当通过冷加工形变大约2-3％的缩减达到H32状态时，该5056合金呈现出179270-193060kPa(26000-28000psi)的极限剪切强度。然而如果然后该5056合金进行可固化涂料的标准固化处理即204℃(400°F)下加热1小时，则极限剪切强度降低到约165480-179270kPa(24000-26000psi)，虽然它在强度规格允许范围的很低端，但对某些处理部件由于工艺变化可能导致强度低于强度规格，故认为对于商业规模操作它的值太低。
图3描述了对于优选的铆钉紧固件情况的一种工艺，通过该工艺可达到所需的机械性能并同时也有固化涂层的优点。提供初始在过大状态的5056铝材料，编号70。例如传统上最终产品直径为4.75×10-3-4.775×10-3米(0.187-0.188英寸)的铆钉是从初始直径为约4.826×10-3-4.85×10-3米(0.190-0.191英寸)的毛坯拉拔得到的。在图3方法的优选实施例中，前驱体毛坯料初始时尺寸过大约4-5％。(即对于铆钉最终直径约4.75×10-3-4.775×10-3米(0.187-0.188英寸)的情况，直径为0.195)。优选地通过冷加工把该过大坯料形变到所需最终直径，编号72。由于该铆钉前驱体从大于所需尺寸冷形变达到H32状态，故它具有的强度高于H32状态中所需的值。提供涂料，编号22，并涂敷到形变状态的铆钉前驱体材料上，编号24。任选地该铆钉前驱体如前所述在涂敷涂料前可经过处理以粗化其表面并优选地在铬酸中阳极化处理(但优选地不化学密封)。
加热该涂层铆钉前驱体材料以完成204℃(400°F)下保持1小时的标准固化过程或191℃(375°F)下保持45分钟的改良固化过程，编号74。固化过程有两种效果。首先，涂层被固化以便它是内聚的并粘附到铝铆钉上。第二，铝材料被部分退火以软化。部分软化处理把铆钉内的冷加工形变状态从过加工操作(步骤72)中达到的状态降到通过H32处理正常达到的状态。从而铆钉可通过对于5056-H32铆钉已知的工艺进行安装。铆钉与传统5056-H32铆钉的不同之处在于在其上有固化的涂层。
使用前述材料和尺寸已实行了图3的方法。步骤70中提供的初始过大铝坯料具有172375-179270kPa(25000-26000psi)的极限剪切强度。在经步骤72中的拉拔后，坯料的极限剪切强度为186165-193060kPa(27000-28000psi)。在经步骤74中的加热后，最后铆钉的极限剪切强度为179270-159165kPa(26000-27000psi)，它令人满意地在为H32机械性能规格所需的范围内。相比之下，如果铝坯料初始不过大，而是具有传统起始直径，则经其余步骤72，22、24和74后，最终铆钉的极限剪切强度为165480-179270kPa(24000-26000psi)，它在为H32规格所需的很低端，并且如前面所讨论的，值太低不能用于商业操作。
虽然本专利为了描述已详细介绍了特定实施例，但只要不违背本发明的精神和范围，可以进行各种更改和提高。相应地，除了由本专利要求书所限定的外，本发明不受限制。

Claims (17)

1.一种铝合金紧固件部件的制备方法，包括以下步骤：
提供由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备的处于未处理状态的具有规定的热处理温度的铝合金紧固件部件；
提供一种含酚醛树脂的可固化有机涂料，该涂料在铝合金紧固件部件热处理温度下可固化；
把所述含酚醛树脂的可固化有机涂料涂敷到所述的铝合金紧固件部件上；和
热处理涂敷有含酚醛树脂的有机涂料的铝合金紧固件部件至其最后热处理状态，从而同时处理所述铝合金紧固件部件和固化所述有机涂料；
得到涂敷的铝合金紧固件部件，其极限剪切强度大于165480kPa。
2.根据权利要求1的方法，进一步包括在涂敷有机涂料之前，阳极化处理铝合金紧固件部件的步骤。
3.根据权利要求2的方法，其中阳极化是这样进行的，在阳极化步骤中不化学密封该铝合金紧固件部件。
4.根据权利要求2的方法，其中阳极化步骤包括在铬酸中阳极化处理铝合金紧固件部件。
5.根据权利要求1的方法，其中提供铝合金紧固件部件的步骤包括提供处于完全退火状态的铝合金紧固件部件的步骤。
6.根据权利要求1的方法，其中涂敷步骤包括向铝合金紧固件部件喷涂有机涂料，然后从喷涂的涂层中除去挥发性组分。
7.根据权利要求1的方法，其中热处理步骤包括沉淀时效该铝合金紧固件部件的步骤。
8.根据权利要求1的方法，其中，提供铝合金紧固件部件的步骤包括提供7050铝合金紧固件部件的步骤，热处理步骤包括将该7050铝合金紧固件加热到121℃保温第一段时间，然后将该紧固件部件加热到179℃保温第二段时间。
9.根据权利要求8的方法，其中，加热步骤包括将7050铝合金紧固件部件加热到121℃保温4至6小时，然后将该铝合金紧固件部件加热到179℃保温8至12小时。
10.铝合金紧固件部件，由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备，并包括含酚醛树脂的有机涂层，其中，铝合金紧固件部件和含酚醛树脂的有机涂层具有相似的热处理温度，从而同时处理铝合金紧固件部件和固化含酚醛树脂的有机涂层，并且所述铝合金紧固件部件具有大于165480kPa的极限剪切强度。
11.铝合金紧固件部件的用途，该紧固件部件用于将组合件紧固在一起制成飞机，该铝合金紧固件部件由2000，4000，6000和7000系列的铝合金制备，并包括含酚醛树脂的有机涂层，其中，铝合金紧固件部件和含酚醛树脂的有机涂层具有相似的热处理温度，从而同时处理铝合金紧固件部件和固化含酚醛树脂的有机涂层，并且所述铝合金紧固件部件具有大于165480kPa的极限剪切强度。
12.根据权利要求10的铝合金紧固件部件，其中所述紧固件部件的极限抗剪强度约为234430kPa至241325kPa。
13.根据权利要求10的铝合金紧固件部件，其中热处理步骤包括在从121℃的温度下对紧固件部件进行4至6小时的第一热处理，然后在179℃进行8至12小时的第二热处理。
14.根据权利要求13的铝合金紧固件部件，其中所述紧固件部件的极限抗剪强度约为282695kPa至317170kPa。
15.根据权利要求10的铝合金紧固件部件，其中所述的有机涂料包括酚醛树脂和有机溶剂。
16.根据权利要求10的铝合金紧固件部件，其中该紧固件部件选自螺栓，螺钉和铆钉。
17.根据权利要求10的铝合金紧固件部件，其中所述铝合金紧固件部件是铝合金紧固件前驱体，所述可固化的有机涂料具有非挥发性部分，它主要是有机的，并在固化温度下可固化。
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