[发明专利]一种连续生产表层强硬化铝质紧固件的方法和装置

说明书

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。