[发明专利]连接件、其制造方法和材料连接

说明书

技术领域

本发明涉及由金属，特别是轻金属，如Al、Mg、Cu、Ti或包含其中一种或多种的合金制成的连接件。本发明还涉及其制造方法和使用该连接件的材料连接。

背景技术

本领域中始终需要连接件，如螺丝、螺栓、铰链或铆钉。在许多用途中，理想连接件具有小重量、高强度，如高Vickers硬度和高拉伸强度、高温度稳定性和高抗腐蚀性。

不幸地，目前没有一种已知连接件提供所有上述有利特征，相反，现有技术的连接件在这方面始终具有某种妥协。例如，在一些情况下，Al基合金由于它们的低重量而用于制造连接件。不幸地，许多高强度Al合金具有较差抗腐蚀性，它们常常不能阳极化。许多高强度铝合金也需要热处理以获得所需机械性质，它们通常仅在相对较小的温度范围内持久。由于在较高温度下使用后的机械性质劣化是不可逆的，这尤其重要。

此类高强度铝合金的降低的温度稳定性也意味着它们通常只能通过冷加工或机械加工法加工。不幸地，在冷加工中，张力在金属基质内累积，这必须通过热加工降低。此外，在热加工过程中，不能确保高精度零件的尺寸一致性。另一方面，通过机械加工制造连接件，如螺丝，不仅非常昂贵，还造成不利的几何张力分布，这常造成在剪切力方面的降低的强度。

因此，大多数最高强度的铝合金不适于连接件，生产昂贵并仍必须防腐蚀。

另一方面，基于固溶强化的许多耐腐蚀Al合金是已知的，如根据标准EN 573-3/4的Al1xxx、Al3xxx和Al5xxx系列，它们通常也可阳极化。但是，这些合金的机械强度相当差并只能通过加工硬化在窄限度内提高。

因此本发明的一个目的是提供轻重量、抗腐蚀并具有高机械强度，特别是高Vickers硬度和高拉伸强度，的连接件。

本发明的目的还在于提供制造适合以相当适中的成本大规模生产的所述连接件的方法。

发明内容

为了满足上述目的，提供由金属，特别是轻金属，如Al、Mg、Cu、Ti或包含其中一种或多种的合金制成的连接件，其由纳米粒子，特别是CNT，增强的所述金属的复合材料制成，其中该增强的金属具有包含被纳米粒子至少部分隔开的金属微晶的微结构。在本文中，该化合物优选包含具有1纳米至100纳米，优选10纳米至100纳米，或大于100纳米至至多200纳米的尺寸的金属微晶。

下面为简化起见，具体提到CNT作为所述纳米粒子。但是相信，当使用具有高纵横比的其它类型的纳米粒子，特别是无机纳米粒子，如碳化物、氮化物和硅化物时，也可以实现类似效果。因此，只要适用，本文做出的关于CNT的每一公开也适合未进一步提到的具有高纵横比的其它类型的纳米粒子。

构成该连接件的材料的结构具有新颖和令人惊讶的作用，即通过纳米粒子(CNT)稳定金属微晶的微结构。特别地，已经观察到，由于CNT沿小的，优选纳米级金属微晶的晶界定位，可以抑制位错运动并可以通过CNT稳定金属中的位错。由于纳米级微晶的极高表面/体积比，这种稳定化非常有效。此外，如果使用通过固溶硬化增强的合金作为金属成分，可以通过与CNT的接合或互锁稳定混合晶体或固溶体的相。相应地，对于与均匀和优选各向同性分散的CNT结合的小金属微晶观察到出现的这种新颖作用在本文中被称作“纳米稳定化”或“纳米固定”。纳米稳定化的另一方面在于，CNT抑制金属微晶的晶粒生长。

尽管纳米稳定化当然是微观(或甚至纳米级)作用，其允许制造作为中间产物的复合材料并由其进一步制造具有前所未有的宏观机械性质的最终连接件。首先，该复合材料具有明显高于纯金属组分的机械强度。另一令人惊讶的技术效果是该复合材料以及由其制成的连接件的提高的高温稳定性。例如，已经观察到，由于通过CNT使纳米微晶纳米稳定化，可以在接近该金属的一些相的熔点的温度保持位错密度和与其相关的提高的硬度。这意味着可以通过在接近该金属的一些相的熔点的温度的热加工或挤出法制造该连接件，同时保持该复合物的机械强度和硬度。例如，如果金属是铝或铝合金，本领域技术人员会认识到，热加工是加工其的非典型方式，因为这通常严重损害铝的机械性质。但是，由于上述纳米稳定化，甚至在热加工下也保持提高的杨氏模量和硬度。出于相同原因，由该纳米稳定化复合物作为源材料形成的最终连接件可用于高温用途，如发动机或涡轮机——其中由于缺乏高温稳定性，轻金属常常失效。