專利名稱：輕合金自攻螺紋緊固件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用熱固性輕金屬合金制作的自攻螺紋緊固件，其桿的螺紋有牙型側面，桿的一端為螺紋成形段，需要時還可有鉆孔的錐形端部。本發(fā)明還涉及制造這樣的螺紋緊固件的方法。
輕金屬與其他金屬，如鋼鐵比，密度低得多，因而比重小。因此，輕金屬零件應用于減重很重要的場合，如汽車工業(yè)中。許多輕金屬零件用壓力鑄造方法由鋁、鋅或鎂合金制作的。但當這種零件與由滲碳鋼、熱處理鋼或優(yōu)質鋼種制成的已知傳統(tǒng)自攻螺紋緊固在一起時會有問題。鎂合金制造的未鍍表面涂層或后處理的螺紋配合連接件，及其中緊固件經(jīng)表面硬化、熱處理或是優(yōu)質鋼種做的，特別是螺釘配件暴露在腐蝕介質的情況下，連接件頭部下面的接觸區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)腐蝕的跡象。
這種接觸腐蝕的原因在于輕金屬零件和鋼緊固件的電化學殘余電勢有很大差異。這種接觸腐蝕極大地限制了螺旋配件使用安全性。雖然對表面滲碳鋼，熱處理鋼或優(yōu)質鋼的緊固件鍍上特殊的鍍層可降低接觸腐蝕，但并不能完全避免。輕金屬零件與鋼緊固件的螺紋配合連接的另一個問題是由于輕金屬和鋼的膨脹系數(shù)不同引起的。由于這種材當料溫度略有上升就產(chǎn)生松弛，因此鎂零件的工業(yè)應用同樣受到限制。如果鋼緊固件用于連接這些零件，則二種材料熱膨脹系數(shù)的不同使螺紋配件的拉緊力產(chǎn)生很大波動。這進一步限制了鎂零件的工業(yè)應用。
本發(fā)明的目的是要盡量避免現(xiàn)有技術中出現(xiàn)的這種缺點。
根據(jù)本發(fā)明，這一目的可用開頭所述那種自攻螺紋緊固件來實現(xiàn)，由于熱處理的不同，這種緊固件的至少一部分與其余部分在材料的顯微組織上是不同的。
這種緊固件能將二種明顯矛盾的性能集合于一身，即至少有一部分顯示這種材料所允許的最大強度，而其余部分顯示所用材料最大可能耐腐蝕性。本發(fā)明是基于以下認識，即熱固化的鋁合金零件，特別是含銅的零件，當熱處理到最大強度時具有對應力裂紋腐蝕敏感的傾向，這種效應歸因于在熱時效硬化及/或沉淀處理時晶界區(qū)中共格沉淀和非共格沉淀的形成。它能導致晶間腐蝕。
緊固件一部分材料的顯微組織可以改變，以使這部分顯示極高的強度，伴隨著耐腐蝕性可能下降，而緊固件其余部分材料即使在拉伸應力下也顯示最大的耐腐蝕性。該緊固件的一個優(yōu)選實施例是其桿的一端有螺紋成形錐形端部，此螺紋成形端部材料的顯微組織給予材料的特殊強度，而緊固件其余部分材料的顯微組織提供特別優(yōu)異的耐腐蝕性能。
美國5,755,542A號專利公開了一種螺紋形的緊固件，雖然這種緊固件是同一塊母材上加工出來的，它的全長上有不同的材料性能區(qū)域。然而，即使在說明書中未明確陳述，但這篇專利的相關母材必然是鋼，輕金屬決不可能顯示RH50以上的洛氏硬度(第2欄，60/61行及權利要求9；實際上輕金屬決不可能達到30RH以上的硬度)。與本發(fā)明主要內(nèi)容一致的事實是，緊固件錐形端部提供的母材硬度大于緊固件其余部分。但緊固件其余部分材料性能的這種差異意味著柔性較好，因此在緊固件最后緊固狀態(tài)其螺紋與周圍接觸緊密(第5欄，60-65行)。相反，本發(fā)明在輕金屬緊固件的其余部分提供最大可能的耐腐蝕性。
舉例說，緊固件不同部分材料顯微組織的差異可通過對各部分用不同形式的熱處理來達到。但也可用機械成形方法改變緊固件材料的顯微組織。所述的機械成形同樣限于緊固件的一部分。它同樣可以在熱處理后很好地進行，例如在熱時效硬化后進行。采用的機械成形的方法可以是緊固件螺紋的滾壓成形。
至少部分緊固件材料可用鍛造鋁合金，除鋁外，下列成分含量為硅0.1-0.5％鐵0-0.5％銅0.5-2.5％錳0.1-0.4％鎂2.0-3.9％鉻0-0.3％鋅4.0-8.5％
鈦0-0.2％鋯0-0.25％如果輕金屬零件，例如鎂零件與本發(fā)明的緊固件連接在一起，則在開始時所說的那些問題不會發(fā)生，因為鎂及鋁有基本上相同的熱膨脹系數(shù)，它們在20-100℃溫度范圍內(nèi)分別為27×10-6/K-1(鎂)和23.6×10-6/K-1(鋁)。二種金屬的腐蝕電位也相似，即鎂為-1.67V.，鋁為-0.83V。
上面所述的鍛造鋁合金制造的緊固件還能滿足更多要求，即為螺紋牙面提供足夠的硬度。為了省去在零件上切削出螺紋的工序，螺紋牙面高硬度是緊固件在零件上產(chǎn)生其螺紋的先決條件。否則就需要這一步。就加工成本而言，只有鋁緊固件才能作為自攻螺紋緊固件與鋼螺釘競爭。
推薦的緊固件類型是上述說明中的自攻螺紋緊固件，其中至少在螺紋牙面已作陽極化處理，因而已有氧化層。這樣的氧化層極大地增加螺紋緊固件表面硬度并且導致能使用這樣螺釘作為自攻螺紋緊固件。如果被連接材料沒有足夠的強度或硬度，則在螺紋緊固件表上有一層滑動鍍層就足以確保正確形成配對的螺紋。在要求較高的情況下，硬的陽極化層可改進緊固件的驅動性能。
用于上述緊固件優(yōu)選的氧化層是浸漬了減磨劑，例如聚四氟乙烯(Teflon)浸漬化合物。這種浸漬化合物極大地降低緊固件與被攻螺紋零件表面之間的摩擦。因此作用在緊固件上的力也減小，從而受到的應力也小了。反之，如果摩擦力未降低，仍然使用這種螺紋緊固件強度就會不夠。
緊固件最好還有滑動涂層，至少在螺致牙面上。這樣的滑動涂層可進一步減少上述的摩擦力，使上述優(yōu)點更顯著。原則上，鋁制的自攻螺紋緊固件可做成適合各種用途的不同幾何形狀，但它將作為通用的自攻螺紋緊固件被使用。
緊固件的優(yōu)選型式是其螺紋牙面隆起超出螺紋外徑以外。這樣的隆起最好這樣布置，即形成一條或一條以上環(huán)繞緊固件桿身的螺旋線，隆起沿該螺旋線排列。當緊固件有特殊的牙面導程時，繞緊固件桿身周圍的螺旋線的導程最好大于螺紋導程。這樣形狀的緊固件見德國專利文獻第2703433號，但它不是用鍛造鋁合金制造的，實驗表明，這種形狀的鋁緊固件有良好的螺紋配合效果。
本發(fā)明的目的還有制作符合本發(fā)明說明書的緊固件的方法，此方法包括以下幾步-用滾壓、切削方法加工出螺紋幾何形狀，構成緊固件；-將緊固件進行固溶退火；-將緊固件在水中淬火，及-將緊固件進行熱時效硬化處理，使各個部分有不同的熱處理。
緊固件在熱時效硬化時對上述各部分作不同處理，使之在緊固件各部分可選擇地形成不同的材料顯微組織。在緊固件全長上選擇有不同的性能，用傳統(tǒng)的爐內(nèi)熱處理方法幾乎沒有可能，因為在這些爐子內(nèi)整根緊固件自然有均勻的溫度，因而在全長和橫截而上有相應的均勻的性能。
但現(xiàn)有技術中固溶退火(US5,755,542A)后，緊固件在水中淬火時整個緊固件可有最大可能的硬度，只有緊固件其余部分作局部加熱(熱時效硬化)，導致該部分“過時效”，使它有所要求的最大耐腐蝕性。
然而，用感應加熱方法可使緊固件各部分有不同的溫度。為了做到這一點，緊固件在線圈中，也叫感應線圈，分開加熱。這種適當?shù)恼{整，使緊固件頭部及傳遞拉力的螺紋長度可以經(jīng)受一個溫度及時間序列工藝曲線，達到最大耐腐蝕性，而在錐形端附近緊固件負責螺紋成型的那部分，同時經(jīng)受不同的溫度及時間序列工藝曲線作用而得到最大可能的材料硬度。每種情況下熱處理工藝的最佳參數(shù)(溫度，時間)取決于緊固件材料的化學成分。
緊固件熱時效硬化熱處理最好這樣來完成，即緊固件遠離頭部的那部分有最大顯微組織硬度，即那部分顯微組織硬度最大。相應地，緊固件的熱處理最好這樣進行，除了遠離頭部的端部那部分外，整個緊固件有最佳的耐腐蝕性。
如果成品緊固件需要有螺釘頭，則緊固件成形的工藝包括在滾壓或切削形成螺紋幾何形狀之前先壓制頭部形狀。此外，緊固件在固溶退火前最好先酸洗。固溶退火及熱時效硬化相繼在不同的持續(xù)時間和不同溫度的各階為中完成。這種處理可產(chǎn)生最佳的強度特性和韌性。適當?shù)臏囟群统掷m(xù)時間取決于每種情況的確切材料成分。
這種應用的最佳實例是，固溶退火溫度為460℃-520℃，最佳溫度是470℃-480℃。
在一優(yōu)選工藝中，螺紋幾何形狀最好在熱時效后滾壓或機加工形成。這表明用這種不同的方法形成緊固件起初限于沖壓頭部幾何形狀。緊固件隨后作酸洗處理，固溶退火，并作熱時效硬化。滾壓或機加工形成的螺紋形狀是最后階段完成的，這樣牙面得到較高的強度和硬度。由于是機械成型作業(yè)，螺紋滾壓可進一步改變緊固件材料的顯微組織，這樣形成的部分，其顯微組織強度增加。
感應加熱緊固件，作為固溶退火處理是可行的。它方便地使固溶退火所需工藝時間大大減少。
為了使螺紋牙面硬度大于350HV0.3，緊固件可部分或整個作陽極化處理，這樣在緊固件表面形成一層硬的氧化層，這些氧化層最終進行浸漬以降低摩擦，例如通過聚四氟乙烯(Teflon)化合物浸漬。這樣還能實現(xiàn)上述的優(yōu)點，隨后給緊固件加一層滑動涂層使優(yōu)點進一步增強。這一滑動涂層的作用是當形成螺紋時降低摩擦系數(shù)。螺紋成形時它還可降低牙面的塑性變形。
除上面陳述過的之外，這種緊固件還有優(yōu)點，即和鋼螺釘相反，鍛造鋁合金做的緊固件還可降低螺紋零件的重量。
下面詳細說明二種制造方法，作為符合本發(fā)明緊固件的實施例，所述實施例借助于附圖進行說明，所說的附圖示出下列實例

圖1是帶園頭的螺紋成型緊固件；圖2是有六角頭及括削槽的螺紋成型緊固件；圖3是自鉆孔緊固件；圖4是有擠壓孔成型桿部的自鉆孔緊固件；圖5是有括削槽的擠壓孔成型自鉆孔緊固件，及圖6是無刮削槽的另一種擠壓孔成型自鉆孔緊固件。
圖1-6的螺紋緊固件是用鍛造鋁合金做的，所述合金的化學成分在在前面指定的范圍內(nèi)。所有螺紋緊固件均用固溶退火、淬火及熱時效硬硬化作熱表面硬化處理，和根據(jù)要求而定的隨后的表面處理。
圖1中的自攻螺紋緊固件10的桿12上有外螺紋14，桿的一端是螺釘頭16。外螺紋14的表面是由螺牙側面18構成。當螺紋成型緊固件10擰入工件中時，其遠離緊固件10的螺釘頭的螺牙側面18承受的載荷最大，因為它們在螺紋形成過程中必須完成大部分成形工作。緊固件10的這部分的過熱處理使它有最大強度，它也能再作陽級化處理，用聚四氟乙烯化合物浸漬并在這部分或整個螺紋上涂一層滑動涂層，緊固件10的其余部分的熱處理使其具有最好的耐腐蝕性。緊固件10擰入工件時必須僅有一個孔，孔內(nèi)無內(nèi)螺紋，螺紋由緊固件10本身擰入孔內(nèi)時形成的。
正如圖1中螺紋成型緊固件10一樣，圖2中的自攻螺紋緊固件20包括桿部22，其一端有六角頭24，桿部22上有外螺紋26。與圖1中的緊固件10的螺紋不同的是，外螺紋26上有額外的刮削槽28，此槽配合螺紋成型加工并且由螺紋26的螺牙側面中的多個V型凹槽組成，這些V形槽與螺紋的螺牙側面成直角。在一系列刮槽中一個接一個縱向排列。當緊固件20擰入預先鉆好的孔中時，就在此孔中形成內(nèi)螺紋，其方式和圖1中的緊固件10的方式一樣。但在緊固件20的情況下，此加工由括削槽28配合。至少在遠離頭部的桿端部分也進行過熱處理，使這部分有最大強度，因為它主要是負責螺紋成型。它還可在部分或全長上再作陽極化處理，用聚四氟乙烯化合物浸漬并涂上滑動涂層。緊固件20的其余部分的熱處理使其有最佳耐腐蝕性。
圖3示出自鉆孔螺紋緊固件40。和圖2中的緊固件20十分相像，它有一桿部44，其一端有頭部42，桿44的外螺紋48帶有刮槽46。在遠離頭部的那一端，桿部44上有自鉆孔的錐形端50。所說錐形端的切削刃52能使緊固件40在擰入工件內(nèi)時工件不必預先鉆孔而由它自行開孔。緊固件40然后用靠近桿44錐形端50的外螺紋48在此自鉆孔中形成配合螺紋。至少錐形端50的熱處理使其具有最大強度。它也可以由比制造緊固件其他部分的鍛造鋁合金更硬的不同材料制造。緊固件40的其余部分被熱處理成使其具有最佳耐腐蝕性。
圖4中的自攻螺紋緊固件60也有具有頭部62的桿部64，和遠離此頭部的桿端的自鉆孔錐形端66，此外在錐形端66和有外螺紋70的桿部之間還有一擠壓孔成形桿部68。當緊固件60擰入沒有預鉆孔的工件時，緊固件60首先用錐形端66打孔，此孔隨后被擠壓孔成形桿部68擴大，從而形成環(huán)繞如此鉆出的孔的撐圈(bead)。如果孔剛好鉆透工件，則孔由于撐圈而變得較長。當緊固件60進一步擰入工件時，在自鉆孔和撐圈中形成內(nèi)螺紋。該內(nèi)螺紋與緊固件60的外螺紋和配合。由于此內(nèi)螺紋延伸到如此形成的撐圈中，因而其支承圈數(shù)比只用錐形端鉆入工件而無擠壓孔結構加以擴大的情況要多。緊固件60也經(jīng)過熱處理，提供錐形端66和必要的擠壓孔形成桿部68以最大強度，而桿的其余部分有最佳耐腐蝕性。自鉆孔錐形端66也可以用不同于緊固件其余部分的較硬材料制造。
圖5示出螺紋緊固件80。和其它緊固件一樣，它有頭部82和帶外螺紋86的桿部84。外螺紋86有刮削槽88，在遠離頭部的桿84的那一端，緊固件80有擠壓孔形成錐形端90。該緊固件經(jīng)受有區(qū)別的熱處理，類似于上述幾種緊固件。擠壓孔形成錐形端90適合于在有預鉆孔的金屬板中使用，當緊固件80擰入有預鉆孔的工件中時，擠壓孔形成錐形端90首先排除邊緣處的工件材料使孔擴大。這樣在孔周圍形成撐圈，從而延伸其全長。緊固件80上的螺紋86于是在有延長的撐圈的孔中形成相配的內(nèi)螺紋。刮削槽88配合這一加工。
和其他緊固件一樣，圖6所示螺紋緊固件100有頭部102和桿部104，桿部104上有外螺紋106。緊固件100和前述緊固件一樣，經(jīng)受類似的有區(qū)別的熱處理，使錐形端部分有最大強度，而緊固件其余部分有最佳耐腐蝕性。桿104的遠離頭部那一端有一擠壓孔形成錐形端108。與圖5所示緊固件80的擠壓孔形成錐形端90相反，緊固件100中的錐形端108構造成允許將緊固件100連接無預鉆孔的金屬板。當緊固件擰入工件，使原先位于孔區(qū)處的材料發(fā)生變形并被排除而形成環(huán)繞邊緣的撐圈時擠壓孔形成錐形端108便產(chǎn)生此孔。與緊固件100上的外螺紋106相配合的內(nèi)螺紋也隨即在此孔內(nèi)形成。
代替螺紋側面中的有特征凹槽的刮削槽28或88，緊固件20及/或80也可有凸起或隆起，諸如德國2703433號專利說明書中所述那樣，此凸起或隆起位于原刮削槽28及/或88的凹槽所在處。該凸起或隆起分別伸到外螺紋26及/88的名義直徑以外，并形成環(huán)繞緊固件20及/或80的桿部22及/或84延伸的幾條螺旋線，凸起或隆起沿著這些螺旋線排列。這幾條繞桿部的螺旋線的導程遠大于相應螺紋的導程。當有這種凸起或隆起的螺紋緊固件擰入工件的預鉆孔中時產(chǎn)生間隙螺紋，它可大大降低螺紋成形力矩。
當然，提供具有的不同幾何形狀的螺紋成形緊固件，當緊固件擰入工件時產(chǎn)生公制螺紋也是可能的。
所有上述幾種緊固件都可用同樣方法制造。
在第一種方法中，所述緊固件先沖壓出緊固件需要的頭部形狀，并在桿部通過滾壓或切削生成所要求的螺紋形狀。然后將此緊固件酸洗并固溶退火。固溶退火的溫度范圍是470℃-520℃，緊固件固溶退火后在水中淬火，接著分二次進行熱時效硬化。
為了一部分一部分地進行熱時效硬化的局部加熱可用感應加熱進行。感應加熱使在不同溫度下完成本方法的各個步驟成為可能，尤其是可以在很短時間內(nèi)完成加熱。具體地說，感應加熱可在熱時效硬化時對熱處理加以控制，使緊固件的錐形端有最大強度，即使這部分材料因此而顯示出對晶間腐蝕有較大敏感性，而緊固件的其余部分的熱處理使其有最佳耐腐蝕性。為此緊固件的熱處理應對各個有關部分以不同的溫度和不同的時間進行。
為了提高緊固件在螺紋側面的強度和硬度，第二種方法是在熱時效硬化之后的階段進行滾壓或切削，以產(chǎn)生螺紋幾何形狀，這第二種加工方法的特征在于起初只使用沖壓方法加工出緊固件頭部，然后進行酸洗，隨后通過固溶退火、淬火和熱固性處理完成熱時效硬化。只有此后才加工出螺紋幾何形狀。
兩種方法得到的緊固件在隨后進行的所選用的處理是相同的，首先是表面陽極化，特別是對螺牙側面部分。此工藝也叫電解氧化或硬質陽極涂層。由于陽極化處理在緊固件表面生成一層特別硬的氧化層，有助于提高螺紋側面的硬度，比如可達350HV0.3以上。陽極化處后再對此氧化層作浸漬處理，例如可用聚四氟乙烯化合物。最后給緊固件涂一層滑動層以進一步降低在形成螺紋過程中產(chǎn)生的摩擦力。這也使得當緊固件擰入工件時螺紋側面的塑性變形得到進步降低。
權利要求
1．自攻螺紋緊固件(10,20,40,60,80,100)用熱固性輕金屬合金作為材料制造而成，它的桿部(12,22,44,64,84,104)具有帶螺紋面的螺紋(14,26,48,70,86,106)，其特征在于，緊固件至少一個區(qū)域上的材料與其它部分具有不同的構件。
2．根據(jù)權利要求1所述的緊固件，該緊固件桿部的一端上具有螺紋形成段，其特征在于，螺紋形成段區(qū)域內(nèi)的緊固件材料的組織結構使所述材料具有特別高的強度，而緊固件其它部分的組織結構使這部分材料具有極高的耐腐蝕性。
3．根據(jù)權利要求1或2所述的緊固件，其特征在于緊固件材料至少一部分是鍛造鋁合金，除鋁外，其他成分的含量是硅0.1-0.5％鐵0-0.5％銅0.5-2.5％錳0.1-0.4％鎂2.0-3.9％鉻0-0.3％鋅4.0-8.5％鈦0-0.2％鋯0-0.25％。
4．根據(jù)權利要求1-3之一所述的緊固件，其特征在于至少對緊固件(10,20,40,60,80,100,110)中的螺紋面進行陽極氧化處理并形成相應的氧化層。
5．根據(jù)權利要求4所述的緊固件，其特征在于氧化層上有浸漬物，以減少摩擦。
6．根據(jù)權利要求5所述的緊固件，其特征在于氧化層用聚四氟乙烯浸漬。
7．根據(jù)權利要求1-6之一所述的緊固件，其特征在于至少在緊固件的螺紋面上涂有滑動涂層。
8 符合上述權利要求任何一項的螺紋緊固件的制造方法包括以下步驟-用滾壓或切削方法獲得螺紋形狀，形成緊固件，-緊固件的固溶退火，-緊固件在水中淬火，及-緊固件的熱時效硬化，其特征在于，在熱時效硬化期間，對緊固件的不同部分進行不同的熱處理。
9．根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，用感應加熱進行螺紋緊固件的熱時效硬化。
10．根據(jù)權利要求8或9所述的方法，其特征在于，在緊固件頭部區(qū)域進行熱處理，使之形成最大的組織硬度。
11．根據(jù)權利要求8-10之一所述的方法，其特征在于，對緊固件頭部區(qū)域之外的部分進行熱處理，使該部分達到最大的耐腐蝕性。
12．根據(jù)權利要求8-11之一所述的方法，其特征在于成型步驟包括在滾壓或切削形成螺紋形狀之前對頭部形狀的壓制。
13．根據(jù)權利要求8-12之一所述方法，其特征在于在成型步驟和固溶退火步驟之間對緊固件進行酸洗的步驟。
14．根據(jù)權利要求8-13之一所述方法，其特征在于螺紋形狀的形成是在熱時效硬化后通過滾壓或切削加工完成的。
15．根據(jù)權利要求8-14之一所述方法，其特征在于進行固溶退火的溫度在460℃-520℃之間。
16．根據(jù)權利要求15所述方法，其特征在于進行固溶退火的溫度在470℃-480℃之間。
17．根據(jù)權利要求8-16之一所述方法，其特征在于在權利要求9-16所規(guī)定的步驟之后進行硬化陽極化處理，且至少在螺紋面部分用陽極氧化方法形成氧化層。
18．根據(jù)權利要求17所述方法，其特征在于對在硬化的陽極氧化處理中形成的氧化層進行浸漬，以減少摩擦的步驟。
19．根據(jù)權利要求18所述方法，其特征在于氧化層用聚四氟乙烯浸漬，以降低摩擦。
20．根據(jù)權利要求8-19之一所述的方法，其特征在于最后的滑動涂層步驟，在這一步驟中，在緊固件上涂以滑動涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及自攻螺紋緊固件(10,20,40,80,100),它是用熱固性輕合金制作的并用作切制螺紋的工具。其桿(12,22,44,64,84,104)上有螺紋(14,26,48,70,86,106),螺紋上呈現(xiàn)螺牙側面。本發(fā)明的特征在于切螺紋工具上至少有一段螺紋與其余螺紋因熱處理不同而有不同的組織。本發(fā)明還涉及螺紋緊固件的生產(chǎn)方法,通過軋制成形或通過金屬切削產(chǎn)生螺紋形狀;將螺紋緊固件固溶退火;且螺紋緊固件在水中淬火然后作熱時效處理;這期間螺紋緊固件不同部分經(jīng)受不同的熱處理。
文檔編號B21H3/02GK1324278SQ99812693
公開日2001年11月28日 申請日期1999年8月12日 優(yōu)先權日1998年9月4日
發(fā)明者H·弗里德里希, B·雷克 申請人:聯(lián)結技術兩合公司