專(zhuān)利名稱(chēng)：預(yù)涂層鋁合金部件的制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及涂層鋁合金部件的制備，更準(zhǔn)確地說(shuō)，涉及涂層鋁鉚釘?shù)闹苽洹?br> 緊固件用來(lái)機(jī)械連接飛機(jī)的不同結(jié)構(gòu)元件和組合件，例如，一個(gè)大型運(yùn)輸機(jī)典型地含有100萬(wàn)以上的緊固件例如螺栓，螺釘和鉚釘。緊固件由強(qiáng)合金例如鈦合金、鋼和鋁合金制成。在某些情況下，緊固件經(jīng)熱處理如通過(guò)沉淀硬化時(shí)效處理，以便對(duì)該特定合金達(dá)到盡可能相當(dāng)高的強(qiáng)度，以及其它所需性能。熱處理通常包括一系列一個(gè)或多個(gè)下述步驟在可控氣氛中控制加熱、在某溫度下保持一段時(shí)間以及控制冷卻。對(duì)每一特定材料選擇這些步驟以達(dá)到其所需物理機(jī)械性能。在其它情況下，緊固件以加工態(tài)狀態(tài)使用。
通常的做法是用有機(jī)涂層涂敷某些類(lèi)型的緊固件以防止緊固件的基底金屬腐蝕損壞。常用方法是，先制出緊固件再把它熱處理到其所需強(qiáng)度。熱處理后，用苛性蘇打浴腐蝕緊固件，以除去熱處理中產(chǎn)生的氧化皮。任選地，對(duì)緊固件進(jìn)行陽(yáng)極化處理。溶解在揮發(fā)性載液中的涂料通過(guò)噴涂、浸漬或類(lèi)似技術(shù)涂敷在緊固件上。揮發(fā)掉載液。涂層緊固件加熱到高溫并保持一段時(shí)間以固化涂層。在結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中使用成品緊固件。
這種涂覆方法對(duì)于由高熔點(diǎn)基底金屬制成的緊固件，例如由鋼或鈦合金制成的緊固件，特別適用。這些緊固件在大大高于涂層固化溫度的溫度下進(jìn)行熱處理。結(jié)果在完成緊固件熱處理后進(jìn)行的涂層的固化并不有害地影響已處理基底金屬的性能。
另一方面，鋁合金具有比鋼和鈦合金低得多的熔點(diǎn)，因而通常熱處理溫度低得多。以往并不用可固化涂層涂敷高強(qiáng)度鋁合金緊固件，因?yàn)閾?jù)觀察，涂層的固化處理能有害地影響緊固件的強(qiáng)度。從而鋁合金緊固件比不固化處理的情況更易受腐蝕。另外，對(duì)于鈦合金和鋼，有機(jī)涂層的存在促進(jìn)了緊固件的安裝。沒(méi)有涂層意謂著安裝鋁緊固件例如鉚釘必須使用液態(tài)密封化合物以便防止腐蝕。液態(tài)密封化合物典型地含有有毒成分，因而需要采取預(yù)防措施來(lái)保護(hù)使用它的人員并保護(hù)環(huán)境。它也骯臟難于操作，并可能需要用苛性化學(xué)溶液代價(jià)昂貴地清洗緊固件周?chē)膮^(qū)域。
現(xiàn)在要求改進(jìn)的方法來(lái)保護(hù)鋁基緊固件例如鉚釘。本發(fā)明滿(mǎn)足這種需要并進(jìn)一步提供了相關(guān)的優(yōu)越性。
本發(fā)明提供了一種鋁合金部件例如緊固件，更準(zhǔn)確地鉚釘?shù)闹苽浞椒?。?duì)于一個(gè)可熱處理部件，部件進(jìn)行熱處理以具有好的機(jī)械性能并且也使用固化有機(jī)涂層保護(hù)。對(duì)于冷加工部件，涂層是在部件仍處于所需形變狀態(tài)下涂敷和固化的。涂層的涂敷并不有害影響部件的最終所需性能。完成本方法的附加成本在每個(gè)緊固件的未經(jīng)保護(hù)的成本上增加遠(yuǎn)不到百分之一。
根據(jù)本發(fā)明，鋁合金部件例如鉚釘或其它緊固件的制備方法包括下述步驟提供一個(gè)不在其最終所需熱處理和機(jī)械狀態(tài)的鋁合金部件前驅(qū)體，提供一種可固化有機(jī)涂料。涂料含有的非揮發(fā)性部分主要是有機(jī)物并且涂料在大約鋁合金部件前驅(qū)體的熱處理溫度下可固化。該方法進(jìn)一步包括把有機(jī)涂料涂敷在鋁合金部件前驅(qū)體上；在熱處理溫度下把涂層鋁部件前驅(qū)體熱處理到其最終熱處理狀態(tài)，熱處理時(shí)間應(yīng)足以把鋁熱處理到其最終所需熱處理和機(jī)械狀態(tài)，并同時(shí)固化有機(jī)涂層；制成部件。
當(dāng)該方法用于高強(qiáng)度鋁緊固件例如鉚釘時(shí)產(chǎn)生了意外的出人意料的技術(shù)和成本優(yōu)越效果。鋁合金緊固件呈現(xiàn)出由它本身或所需形變狀態(tài)經(jīng)過(guò)熱處理所產(chǎn)生的完全所需強(qiáng)度。達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度值很重要，因?yàn)殂T釘?shù)挠脩?hù)，例如飛機(jī)的客戶(hù)，不會(huì)允許犧牲機(jī)械性能以達(dá)到改善的耐腐蝕性。相反，過(guò)去他們既要求令人滿(mǎn)意的機(jī)械性能，也使用液態(tài)密封料以達(dá)到令人滿(mǎn)意的耐腐蝕性。另一方面在本方法中，部件既有令人滿(mǎn)意的機(jī)械性能；也有一個(gè)涂層來(lái)達(dá)到令人滿(mǎn)意的防腐蝕性。因而，在安裝根據(jù)本發(fā)明方法制備的緊固件的過(guò)程中不需在緊固件及緊固件在被鐓鍛之前插入的孔的接合面上施加液態(tài)密封料。
對(duì)于大型貨運(yùn)機(jī)內(nèi)的700,000以上的鉚釘，安裝方法不要求液態(tài)密封料可對(duì)每架飛機(jī)節(jié)省幾百萬(wàn)美元的成本。不使用液態(tài)密封料也改善了緊固件安裝中的工作質(zhì)量，因?yàn)椴豢赡芟笫┘右簯B(tài)密封料時(shí)那樣漏下一些緊固件。涂層緊固件比未涂層緊固件在使用過(guò)程中更耐腐蝕。
從下文優(yōu)選實(shí)施例的更詳細(xì)描述連同附圖可明顯看出本發(fā)明的其它特性和優(yōu)點(diǎn)，它們通過(guò)實(shí)施例描述了本發(fā)明的原理。


圖1是本發(fā)明方法第一個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
圖2A是本發(fā)明方法第二個(gè)實(shí)施例的一種形式下的工藝流程圖。
圖2B是本發(fā)明方法第二個(gè)實(shí)施例的另一種形式下的工藝流程圖。
圖3是本發(fā)明方法第三個(gè)實(shí)施例的工藝流程圖。
圖4是用于連接兩個(gè)工件的凸頭鉚釘緊固件在鐓鍛前的簡(jiǎn)要剖視圖。
圖5是用于連接兩個(gè)工件的頂鍛鉚釘緊固件在鐓鍛前的簡(jiǎn)要剖視圖。
圖6是用于連接兩個(gè)工件的埋頭鉚釘緊固件在鐓鍛前的簡(jiǎn)要剖視圖。
圖7是圖5的埋頭鉚釘緊固件在鐓鍛之后的簡(jiǎn)要剖視圖。
如圖1所示，首先提供一個(gè)未處理(即未涂敷和退火的)部件。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例涉及制備緊固件例如鉚釘，下文將重點(diǎn)討論這些部件。本發(fā)明的使用并不局限于緊固件和鉚釘，相反它是更廣義應(yīng)用的。然而它在緊固件上的使用提供了將要討論的特定優(yōu)點(diǎn)。
提供一個(gè)鉚釘40，編號(hào)20，對(duì)一個(gè)鉚釘，緊固件或其它加工到其傳統(tǒng)形狀和尺寸的部件使用本發(fā)明，圖4-6描述了處于把第一工件42連接到第二工件44的安裝中間階段的三種類(lèi)型的鉚釘40，即處于已安裝到第一和第二工件之后但在鐓鍛之前。圖4中的鉚釘40在一端有一個(gè)預(yù)制凸頭46，圖5中的鉚釘40′是頂鍛鉚釘，每一端都沒(méi)有預(yù)制凸頭，圖6中的鉚釘40″在一端有一個(gè)預(yù)制埋頭40″，它位于部件42的埋頭孔內(nèi)。本發(fā)明可用于這些和其它類(lèi)型的鉚釘。
鉚釘40由一種鋁基合金制成。此處所用的“鋁合金”或“鋁基”是指合金含有大于50重量百分比但小于100重量百分比的鋁。典型地，鋁基合金含有大約85-95重量百分比的鋁，其余為合金元素和少量雜質(zhì)。合金元素以精確控制的數(shù)量添加以便隨意地調(diào)整鋁合金的性能。混合添加到鋁中以調(diào)整其性能的合金元素包括，例如，鎂、銅、鋅以及其它元素。
在一個(gè)感興趣的情況中，鋁合金是可熱處理的。部件首先被制成所需形狀，這種情況下是緊固件例如鉚釘，選擇的合金元素應(yīng)使制作形狀可以被加工以具有相對(duì)柔軟狀態(tài)，優(yōu)選地通過(guò)把它加熱到高溫保持一段時(shí)間然后淬火到低溫，一種稱(chēng)為固溶處理/退火的工藝。在該固溶處理/退火工藝中，溶質(zhì)元素溶解進(jìn)入合金母體(即固溶處理)并通過(guò)快速淬火保留在固溶狀態(tài)，母體本身同時(shí)退火(即退火)。
部件經(jīng)固溶處理/退火后，它可進(jìn)一步經(jīng)加工以提高其強(qiáng)度數(shù)倍從而具有使用的所需高強(qiáng)度性能，這種典型地通過(guò)沉淀硬化時(shí)效工藝的進(jìn)一步的加工，可通過(guò)兩種方式之一完成，即或者通過(guò)加熱到某一高溫保持一段時(shí)間，稱(chēng)為人工時(shí)效，或通過(guò)在室溫保持很長(zhǎng)一段時(shí)間，稱(chēng)為自然時(shí)效。在傳統(tǒng)鋁協(xié)會(huì)術(shù)語(yǔ)中，不同的人工時(shí)效沉淀處理，某些結(jié)合有中間形變，產(chǎn)生了T6,T7,T8或T9狀態(tài)；而自然時(shí)效沉淀處理產(chǎn)生T4狀態(tài)(鋁協(xié)會(huì)的熱處理，合金類(lèi)型術(shù)語(yǔ)及類(lèi)似術(shù)語(yǔ)在該行業(yè)中為人們接受，并將在此處使用)。某些合金要求人工時(shí)效，而其它合金可能以任一方式時(shí)效處理。通常兩種類(lèi)型的材料都可制作鉚釘。
在兩種類(lèi)型的時(shí)效中，由于在鋁合金基體中形成第二相粒子，典型地稱(chēng)為析出物，結(jié)果出現(xiàn)強(qiáng)化?？偲饋?lái)說(shuō)，所有導(dǎo)致其強(qiáng)化的工藝步驟一般都稱(chēng)為“熱處理”，其中部件經(jīng)受一段或多段高溫處理并保持某段時(shí)間，并選擇加熱和冷卻速率以促進(jìn)產(chǎn)生所需最終性能。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)鋁基合金，在參考文件中可查到并得到為達(dá)到特定性能所需的溫度、時(shí)間和其它參數(shù)。
用于鉚釘應(yīng)用的最令人感興趣的特定人工時(shí)效鋁基合金是7050合金，其組成含有銅約2.3重量百分比，鎂2.2重量百分比，鋅6.2重量百分比，鋯0.12重量百分比，其余為鋁和少量雜質(zhì)。(其它合適的合金包括但并不局限于，2000,4000,6000和7000系列可熱處理鋁合金)；這種合金在市場(chǎng)上可從幾個(gè)鋁公司購(gòu)到，包括ALCOA,Reynolds，和Kaiser。在制作成所需形狀例如圖4-6中所示的那些形狀之一后，該7050合金可被完全地固溶處理/退火以具有約34000-35000每平方英寸磅(Psi)的極限剪切強(qiáng)度。這種狀態(tài)的獲得一般在緊固件的制作工藝包括機(jī)加工，鍛造或者成形為所需形狀之后。因?yàn)樗跒閮?yōu)化材料的強(qiáng)度和其它性能所需的最后時(shí)效熱處理過(guò)程之前，故在此處，這種狀態(tài)稱(chēng)為“未處理狀態(tài)”，在沉淀強(qiáng)化熱處理工藝之前，部件可經(jīng)歷多種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合金可在約250°F的溫度下熱處理4-6小時(shí)。然后溫度直接從250°F升高到約355°F并保持一段8-12小時(shí)的時(shí)間，接著進(jìn)行室溫空氣冷卻。這種熱處理的最后狀態(tài)稱(chēng)為T(mén)73狀態(tài)，它在7050合金中產(chǎn)生了約41000-46000的強(qiáng)度。這種強(qiáng)度適于緊固件應(yīng)用(這種沉淀硬化時(shí)效步驟在圖1的步驟26中接著進(jìn)行)。
返回到圖1方法的討論，未處理緊固件任選地經(jīng)化學(xué)腐蝕、噴丸處理或者加工以粗化其表面，然后在鉻酸溶液中陽(yáng)極化處理，編號(hào)30。鉻酸溶液可在市場(chǎng)購(gòu)到或通過(guò)在水中溶解三氧化鉻制得。優(yōu)選地鉻酸溶液在水中的濃度約為4％鉻酸，并且在處于從約90°F到約100°F的溫度。要陽(yáng)極化的部件在適度攪拌的鉻酸溶液中作為陽(yáng)極，施加的DC電壓為約18-22伏。優(yōu)選地陽(yáng)極化繼續(xù)30-40分鐘，但發(fā)現(xiàn)更短的時(shí)間也可行。陽(yáng)極化操作在鋁合金部件上產(chǎn)生一個(gè)約0.0001-0.0003英寸厚的強(qiáng)粘附氧化物表面層，該表面層促進(jìn)了下一步涂敷的有機(jī)涂層的粘附。陽(yáng)極化也可用來(lái)化學(xué)密封鋁部件表面。這種情況下，已發(fā)現(xiàn)以這種方式化學(xué)密封其表面并不令人滿(mǎn)意，因?yàn)榛瘜W(xué)密封往往妨礙了下一步涂敷的涂層與鋁合金部件之間的強(qiáng)烈鍵合。
也以不同的陽(yáng)極化時(shí)間試驗(yàn)了其它陽(yáng)極化介質(zhì)。硫酸、磷酸、硼酸和化學(xué)腐蝕在不同程度上可行，但在產(chǎn)生導(dǎo)致下一步涂敷的涂層能夠強(qiáng)粘附的所需類(lèi)型氧化物表面方面不十分成功。
提供涂料，編號(hào)22，優(yōu)選地它在溶液中以便可隨時(shí)均勻地涂敷。涂料的通常功能是防止它所涂敷的基底金屬腐蝕，包括例如，傳統(tǒng)的電解腐蝕、電池腐蝕和應(yīng)力腐蝕。涂料的配方主要為一種有機(jī)組成，但可以含有添加劑以改善最終涂層的性能。它最好開(kāi)始時(shí)溶解在載液中以便能把它涂敷到基體上。涂敷后，涂料可固化以便有機(jī)成分內(nèi)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變化，典型地有機(jī)分子交聯(lián)以改善涂層的粘附和內(nèi)聚。
這種可固化涂層不同于不可固化涂層，不可固化涂層有不同的性能并且不適于本發(fā)明的防蝕應(yīng)用，對(duì)于不可固化涂層例如清漆，不必把涂層部件加熱到高溫以進(jìn)行固化，也不產(chǎn)生與使用可固化涂料相連的使本發(fā)明成為必要的過(guò)時(shí)效問(wèn)題。
在涂敷涂層之前進(jìn)行的陽(yáng)極化工藝，優(yōu)選地在鉻酸中的作用是促進(jìn)了有機(jī)涂層與鋁合金部件基體之間的強(qiáng)烈鍵合。很顯然既通過(guò)物理聯(lián)鎖又通過(guò)鉻酸激活化學(xué)鍵合效應(yīng)促進(jìn)了這種鍵合。為了達(dá)到物理聯(lián)鎖效應(yīng)，如前所述陽(yáng)極化表面在陽(yáng)極化中工藝中沒(méi)有進(jìn)行防止水的侵入的化學(xué)密封。下一步涂敷并固化的有機(jī)涂層起了密封陽(yáng)極化表面的作用。
許多可固化有機(jī)涂料可從市場(chǎng)獲得并用于本發(fā)明工藝中。一個(gè)典型并優(yōu)選的這種類(lèi)型的涂料包含混有一種或者各種增塑劑，其它有機(jī)成分例如聚四氟乙烯和無(wú)機(jī)添加劑例如鋁粉末和/或鉻酸鍶的酚醛樹(shù)脂。這些涂料成分優(yōu)選地溶解在一個(gè)適宜的某一數(shù)量的溶劑中以得到所需的應(yīng)用粘度。對(duì)于剛討論的涂料，溶劑是乙醇、甲苯和甲乙酮的混合物。一個(gè)典型的可噴涂的涂敷溶液含有約30重量百分比的乙醇，約7重量百分比的甲苯以及約45重量百分比的甲乙酮作為溶劑，以及約2重量百分比鉻酸鍶，約2重量百分比的鋁粉末，其余為酚醛樹(shù)脂和增塑劑。任選地可添加少量的聚四氟乙烯。這種產(chǎn)品在市場(chǎng)上可以Hi-shear CorporationTorrance,CA作為“Hi-Kote 1”購(gòu)買(mǎi)到。正如生產(chǎn)商所推薦的那樣，它的標(biāo)準(zhǔn)高溫固化處理為400°F±25°F下1小時(shí)。
涂料被涂敷到未處理緊固部件上，編號(hào)24?？梢允褂萌魏芜m宜的方法例如浸漬、噴涂或刷涂。在優(yōu)選的方法中，涂料溶解在溶劑中的溶液被噴涂到未處理鉚釘上?；蛘咴谑覝鼗蛘呱愿邷囟韧ㄟ^(guò)干燥從涂敷狀態(tài)的涂層除去溶劑，以便涂層部件干燥到可以觸摸。優(yōu)選地，通過(guò)在200°F下快速置放約2分鐘完成溶劑的揮發(fā)。這時(shí)的涂層部件不適于使用，因?yàn)橥繉記](méi)有充分固化并粘附在鋁合金基底金屬上并且因?yàn)橥繉拥膬?nèi)聚力不足以抵抗使用中的機(jī)械損傷。
在優(yōu)選的Hi-Kote 1的情況下，在掃描電子顯微鏡中通過(guò)EDS分析來(lái)分析噴涂狀態(tài)涂層。重元素以下述重量百分比存在Al,82.4％,Cr2.9％,Fe 0.1％,Zn0.7％,Sr 13.9％。在涂層中檢測(cè)到輕元素例如碳、氧和氫，但由于這些元素的EDS分析通常不準(zhǔn)確，故沒(méi)有報(bào)告。
鉚釘部件的基底金屬和涂敷的涂層一起加熱到某一適宜的高溫，編號(hào)26，以同時(shí)達(dá)到兩種效果。在這單一步驟中，鋁合金通過(guò)人工時(shí)效被沉淀硬化處理到其最終所需強(qiáng)度狀態(tài)。而涂層被固化到其最終所需結(jié)合狀態(tài)。優(yōu)選地，步驟26的處理所選擇的溫度和時(shí)間應(yīng)能使鋁合金基底金屬達(dá)到所需性能。正如對(duì)于該特定鋁基合金在工業(yè)中為人使用的并業(yè)已證明的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中所提供的那樣。這個(gè)處理典型地不是涂料生產(chǎn)商所規(guī)定的那種并且可能對(duì)涂層沒(méi)有產(chǎn)生最佳的固化狀態(tài)，但已經(jīng)確定，與有機(jī)涂層的固化處理情形相比，金屬的熱處理與最佳處理差別稍小，可以為人接受。即發(fā)明人表明，與金屬的熱處理相比，涂層的固化能容許時(shí)間和溫度與令人滿(mǎn)意的結(jié)果之間有更大的差異。與預(yù)期和生產(chǎn)商的說(shuō)明書(shū)相反，通過(guò)未經(jīng)推薦的工藝固化的涂層在使用過(guò)程中呈現(xiàn)出與鋁合金基體之間令人滿(mǎn)意的粘附和其它性能。因而，使用所推薦的金屬熱處理得到金屬的適宜物理性能和涂層的極好性能。
在上面討論的優(yōu)選的7050鋁基合金和Hi-Kote 1涂層的情況下，優(yōu)選的熱處理是7050合金在250°F下進(jìn)行T73沉淀硬化時(shí)效工藝4-6小時(shí)，然后從250°F躍升到355°F并在355°F保溫8-12小時(shí)，并用環(huán)境空氣冷卻到室溫。
因而，沉淀硬化人工時(shí)效工序26比有機(jī)涂層生產(chǎn)商所推薦的，有更長(zhǎng)的保溫時(shí)間和不同的溫度。開(kāi)始時(shí)有一種擔(dān)心即超出涂層標(biāo)準(zhǔn)固化所需值之外的更高溫度和更長(zhǎng)時(shí)間會(huì)在使用過(guò)程中惡化涂層及其使用過(guò)程中的性能。這種擔(dān)心證明是沒(méi)有根據(jù)的。如圖4-7中簡(jiǎn)要所示，最終涂層48強(qiáng)烈粘附在基底金屬鋁合金上并且也是強(qiáng)烈內(nèi)聚的(在圖4-7中，夸大了涂層48的厚度以使它能可見(jiàn)，實(shí)際中涂層48在經(jīng)步驟26中的處理后典型地為約0.0003-0.0005英寸厚)。
經(jīng)涂敷和處理的鉚釘40即可用于安裝，編號(hào)28。緊固件以適于其類(lèi)型的方式安裝。如圖4所示，在鉚釘40的情況下，鉚釘放在穿過(guò)置于密配合接觸的兩塊工件42和44內(nèi)的已對(duì)準(zhǔn)的孔內(nèi)，鐓鍛(塑性形變)鉚釘40的凸出遠(yuǎn)端50以便工件42和44機(jī)械鎖住在鉚釘?shù)念A(yù)制頭46和成形頭52之間。圖7描述了對(duì)于圖6的埋頭鉚釘情況的膨徑鉚釘40″，其它類(lèi)型的鉚釘?shù)呐驈姐T釘有相似的一般形式。如圖7所示，即使在鐓鍛后涂層48也保留在鉚釘上。
安裝步驟反映了本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)之一。如果緊固件上未涂敷涂層，則必須在鉚釘鐓鍛時(shí)在孔內(nèi)和配合面上放置一種粘性的液態(tài)密封料以覆蓋接觸面。液態(tài)密封料對(duì)工人有潛在的毒性，且骯臟，難于使用，而且在安裝鉚釘后必須用苛性化學(xué)溶液對(duì)工具和工件42、44的裸露表面進(jìn)行代價(jià)昂貴的清洗。此外，據(jù)觀察殘余液態(tài)密封料的存在阻礙了后來(lái)涂敷的漆表面涂層在鉚釘頭上的粘附。在本發(fā)明之前，雖然多年來(lái)做了大量努力來(lái)取代液態(tài)密封料方法，但它是達(dá)到足夠耐蝕性的唯一可行技術(shù)。本發(fā)明的涂敷措施克服了液態(tài)密封料的這些缺點(diǎn)。在安裝過(guò)程中不需要或不用液態(tài)密封料。另外，后來(lái)涂敷的漆表面涂層在涂層鉚釘頭上粘附良好，這是一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)槠嵴掣讲缓茫适褂靡簯B(tài)密封料有時(shí)造成難以漆過(guò)鉚釘頭。
本發(fā)明已被簡(jiǎn)化到實(shí)施7050合金制成的鉚釘。用Hi-Kote 1和另一種無(wú)鉻涂料Alumazite ZY-138涂敷初始時(shí)處于未處理狀態(tài)的鉚釘。(Alumazite ZY-138是可從Tiodize Co.,Huntington Beach,CA購(gòu)得的一種可噴涂涂料。其組成包括2-丁酮溶劑、有機(jī)樹(shù)脂和鋁粉末)。利用250°F下保持4-6小時(shí)的人工時(shí)效處理把涂層鉚釘沉淀硬化處理到T73狀態(tài)，然后從250°F躍升到355°F并在355°F下保持8-12小時(shí)，接著用環(huán)境空氣冷卻到室溫。
根據(jù)MIL-R-5674機(jī)械檢測(cè)涂層鉚釘以證實(shí)它們滿(mǎn)足了未涂層鉚釘達(dá)到的41000-46000磅每平方英寸的所需雙極限剪切強(qiáng)度要求。測(cè)試中，雙極限剪切強(qiáng)度為42500-43500磅每平方英寸，它在允許范圍內(nèi)。每種類(lèi)型涂層鉚釘?shù)膱A柱長(zhǎng)度被鐓鍛到直徑為1.6倍于其初始直徑以評(píng)價(jià)其打入性。即使在經(jīng)受最大形變區(qū)域的鐓鍛區(qū)的周邊也未觀察到任何裂紋或剝落。也安裝并接著除去鉚釘以便用掃描電鏡評(píng)價(jià)其涂層完整性。涂層沒(méi)顯示出任何跡象的裂紋、剝落或任何其它不可接受的狀態(tài)或異常。后一結(jié)果尤其重要和令人意外。即使經(jīng)過(guò)鐓鍛工藝造成的嚴(yán)重形變，涂層也保留在鉚釘上。因而安裝后涂層在原地保留從而防止鉚釘腐蝕，省去了任何使用液態(tài)密封料的必要。
當(dāng)鋁合金通過(guò)圖1所述的方法進(jìn)行自然時(shí)效回火處理時(shí)，鋁合金將由于為固化有機(jī)涂層所需的加熱步驟26而過(guò)時(shí)效。對(duì)于某些緊固件應(yīng)用，鋁合金的過(guò)時(shí)效是可接受的。在其它應(yīng)用中，過(guò)時(shí)效可造成不令人滿(mǎn)意的性質(zhì)，必須加以避免。圖2A和2B描述了為得到在已經(jīng)過(guò)自然時(shí)效回火處理的合金上涂敷可固化有機(jī)涂層的有益工藝。
圖2A所示的一種方法中，裝備了已選擇進(jìn)行自然時(shí)效回火的沉淀硬化處理的鋁合金鉚釘毛坯，編號(hào)32。所提供的鉚釘毛坯尺寸與其中不使用可固化涂層的傳統(tǒng)工藝精制的尺寸相比稍微過(guò)大(即更大的直徑)。通過(guò)自然時(shí)效進(jìn)行沉淀硬化處理到T4狀態(tài)的優(yōu)選鋁合金是2117合金，其名義成分為0.4-0.8重量百分比的鎂，3.5-4.5重量百分比的銅，0.4-1.0重量百分比的錳，0.10重量百分比的鉻，0.2-0.8重量百分比的硅，0.7重量百分比的鐵，0.25重量百分比的鋅，0.15重量百分比的鈦，各最高0.05重量百分比的其它元素，其它元素的總和不大于0.15重量百分比，其余為鋁。該2117合金可在市場(chǎng)上從幾個(gè)鋁公司包括Alcoa,Reynolds和Kaiser購(gòu)得.該合金可通過(guò)室溫下保持至少約96小時(shí)的自然時(shí)效而沉淀硬化處理到T4狀態(tài)，產(chǎn)生的剪切強(qiáng)度約26000-30000psi。(這種自然時(shí)效熱處理步驟接著在圖2A和2B的步驟37中進(jìn)行)。該方法對(duì)于其它可用自然時(shí)效的沉淀硬化處理進(jìn)行時(shí)效的合金也可行，例如2017,2024,6061合金。
緊固件被形變到不同于，并典型地大于所需最終尺寸的大小，編號(hào)34，本發(fā)明人稱(chēng)這種狀態(tài)為“正常過(guò)大”。對(duì)于圓筒對(duì)稱(chēng)的鉚釘?shù)那闆r，鉚釘毛坯優(yōu)選地拉拔到一個(gè)正常過(guò)大直徑，典型地比所需最終尺寸大10-15％。該正常過(guò)大的拉拔的毛坯根據(jù)推薦給該鋁合金的工藝進(jìn)行固溶處理/退火，編號(hào)36。在優(yōu)選的2117合金的情況下，在890-950°F下保持1小時(shí)完成固溶處理/時(shí)效，然后淬火。鉚釘毛坯根據(jù)對(duì)于正加工合金的推薦進(jìn)行自然時(shí)效，在2117合金的情況下為室溫保持最少約96小時(shí)，編號(hào)37。然后通過(guò)冷加工，典型地拉拔，把經(jīng)拉拔并固溶處理/退火和時(shí)效的毛坯形變到其最終所需直徑，編號(hào)38，該步驟稱(chēng)為再拉拔或冷加工。(然而，等效地對(duì)于本目的，可使用步驟34把鉚釘毛坯形變到比所需最終尺寸小的尺寸，用步驟38把鉚仃毛坯形變到大的最終尺寸，如通過(guò)冷鐓操作那樣。)。這種冷加工賦予鉚釘輕微的形變。經(jīng)冷加工的鉚釘毛坯任選地進(jìn)行陽(yáng)極化處理，優(yōu)選地在絡(luò)酸溶液中，并優(yōu)選地使用先前敘述的方法使其處于未密封狀態(tài)，編號(hào)30。涂料以溶液形式提供，編號(hào)22，并涂敷到鉚釘毛坯上，編號(hào)24。步驟30,22和24如上文中圖1所述那樣。那些敘述引入此處。
涂層緊固件毛坯進(jìn)行固化，編號(hào)26。最佳的固化是由生產(chǎn)商推薦的，最優(yōu)選地如前所述400°F下保持1小時(shí)。然而，取決于步驟38中在緊固件上進(jìn)行的冷加工水平，可以使用一種改良固化操作。該改良固化過(guò)程是375°F下保持45分鐘，并已表明產(chǎn)生了與涂料要求相符的令人滿(mǎn)意的結(jié)果。固化操作往往有過(guò)時(shí)效鋁合金的效果，通常鋁合金只要求自然(室溫)時(shí)效來(lái)實(shí)現(xiàn)其完全強(qiáng)度。然而，最令人驚奇地，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)在步驟36的固溶處理/退火和步驟37的自然時(shí)效之后進(jìn)行的步驟38的附加冷加工操作能補(bǔ)償步驟26的過(guò)時(shí)效效果，并造成最終鉚釘通過(guò)涂敷和時(shí)效達(dá)到令人滿(mǎn)意的鋁合金性能，但不過(guò)時(shí)效。
對(duì)于熱處理和涂敷要進(jìn)行自然時(shí)效回火處理的部件，圖2B所示是圖2A方法的一個(gè)變化，提供處于過(guò)大狀態(tài)的鋁合金鉚釘毛坯，編號(hào)32。把該鉚釘毛坯拉拔到或成形到其最終尺寸，編號(hào)34(它與圖2A的步驟34不同，步驟34中鉚釘毛坯被形變到正常過(guò)大直徑)。已拉拔的鉚釘毛坯進(jìn)行固溶處理/退火，編號(hào)36，和自然時(shí)效，編號(hào)37。不需要如圖2A工藝中那樣拉拔到最終尺寸的步驟38。其余步驟22,30,24和28如前面圖2A所述一樣。其描述引入到這里。
圖2B的方法已成功地實(shí)施到2117鋁合金。與傳統(tǒng)起始直徑0.185-0.186英寸相比，提供的鉚釘處于約0.200-0.205英寸的過(guò)大直徑狀態(tài)，步驟32。在步驟34中該過(guò)大鉚釘毛坯被拉拔到直徑0.185-0.186英寸并在步驟34中冷鐓到直徑0.187-0.188英寸。圖2B的其它步驟如先前對(duì)2117鋁合金所述的一樣。達(dá)到了T4回火的所需強(qiáng)度，另外鉚釘被粘附的涂層保護(hù)。
在圖2A和2B的工藝中，步驟34和38中的從步驟32的起始過(guò)大直徑形變得到鉚釘毛坯的附加機(jī)加工，以及包含在固化步驟26中的附加加熱，都造成最終強(qiáng)度和其它機(jī)械性能滿(mǎn)足這種類(lèi)型的緊固件的所需標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格。附加機(jī)加工往往把機(jī)械性能提高到允許界限之上，而固化過(guò)程中的附加加熱把機(jī)械性能降低回到允許范圍。精確均衡這些效果甚至能允許機(jī)械性能設(shè)定在大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的高端或低端。
一些合金在使用沒(méi)進(jìn)行固溶處理/退火和沉淀硬化處理，而是以具有形變誘導(dǎo)強(qiáng)度最低值的冷加工狀態(tài)使用。很顯然這些合金的所需形變狀態(tài)不適于加熱到高溫以固化涂層。然而現(xiàn)已表明例如圖3中為本發(fā)明第三個(gè)優(yōu)選實(shí)施例所述的工藝允許以形變誘導(dǎo)的強(qiáng)化狀態(tài)使用合金，并且也允許用可固化涂層涂敷合金。一個(gè)最佳的這種合金是5056-H32，其名義成分為4.5-5.6重量百分比的鎂，0.1重量百分比的銅，0.05-0.20重量百分比的錳，0.30重量百分比的硅，0.40重量百分比的鐵，0.05-0.20重量百分比的鉻，0.10重量百分比的鋅，最高0.05重量百分比的任何其它元素，其它元素的總重量百分比為0.15，其余為鋁。當(dāng)通過(guò)冷加工形變大約2-3％的縮減達(dá)到H32狀態(tài)時(shí)，該5056合金呈現(xiàn)出26000-28000psi的極限剪切強(qiáng)度。然而如果然后該5056合金進(jìn)行可固化涂料的標(biāo)準(zhǔn)固化處理即400°F下加熱1小時(shí)，則極限剪切強(qiáng)度降低到約24000-26000psi，雖然它在強(qiáng)度規(guī)格允許范圍的很低端，但對(duì)某些處理部件由于工藝變化可能導(dǎo)致強(qiáng)度低于強(qiáng)度規(guī)格，故認(rèn)為對(duì)于商業(yè)規(guī)模操作它的值太低。
圖3描述了對(duì)于優(yōu)選的鉚釘緊固件情況的一種工藝，通過(guò)該工藝可達(dá)到所需的機(jī)械性能并同時(shí)也有固化涂層的優(yōu)點(diǎn)。提供初始在過(guò)大狀態(tài)的5056鋁材料，編號(hào)70。例如傳統(tǒng)上最終產(chǎn)品直徑為0.187-0.188英寸的鉚釘是從初始直徑為約0.190-0.191英寸的毛坯拉拔得到的。在圖3方法的優(yōu)選實(shí)施例中，前驅(qū)體毛坯料初始時(shí)尺寸過(guò)大約4-5％。(即對(duì)于鉚釘最終直徑約0.187-0.188英寸的情況，直徑為0.195)。優(yōu)選地通過(guò)冷加工把該過(guò)大坯料形變到所需最終直徑，編號(hào)72。由于該鉚釘前驅(qū)體從大于所需尺寸冷形變達(dá)到H32狀態(tài)，故它具有的強(qiáng)度高于H32狀態(tài)中所需的值。提供涂料，編號(hào)22，并涂敷到形變狀態(tài)的鉚釘前驅(qū)體材料上，編號(hào)24。任選地該鉚釘前驅(qū)體如前所述在涂敷涂料前可經(jīng)過(guò)處理以粗化其表面并優(yōu)選地在鉻酸中陽(yáng)極化處理(但優(yōu)選地不化學(xué)密封)。
加熱該涂層鉚釘前驅(qū)體材料以完成400°F下保持1小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)固化過(guò)程或375°F下保持45分鐘的改良固化過(guò)程，編號(hào)74。固化過(guò)程有兩種效果。首先，涂層被固化以便它是內(nèi)聚的并粘附到鋁鉚釘上。第二，鋁材料被部分退火以軟化。部分軟化處理把鉚釘內(nèi)的冷加工形變狀態(tài)從過(guò)加工操作(步驟72)中達(dá)到的狀態(tài)降到通過(guò)H32處理正常達(dá)到的狀態(tài)。從而鉚釘可通過(guò)對(duì)于5056-H32鉚釘已知的工藝進(jìn)行安裝。鉚釘與傳統(tǒng)5056-H32鉚釘?shù)牟煌幵谟谠谄渖嫌泄袒耐繉印?br> 使用前述材料和尺寸已實(shí)行了圖3的方法。步驟70中提供的初始過(guò)大鋁坯料具有25000-26000psi的極限剪切強(qiáng)度。在經(jīng)步驟72中的拉拔后，坯料的極限剪切強(qiáng)度為27000-28000psi。在經(jīng)步驟74中的加熱后，最后鉚釘?shù)臉O限剪切強(qiáng)度為26000-27000psi，它令人滿(mǎn)意地在為H32機(jī)械性能規(guī)格所需的范圍內(nèi)。相比之下，如果鋁坯料初始不過(guò)大，而是具有傳統(tǒng)起始直徑，則經(jīng)其余步驟72，22、24和74后，最終鉚釘?shù)臉O限剪切強(qiáng)度為24000-26000psi，它在為H32規(guī)格所需的很低端，并且如前面所討論的，值太低不能用于商業(yè)操作。
雖然本專(zhuān)利為了描述已詳細(xì)介紹了特定實(shí)施例，但只要不違背本發(fā)明的精神和范圍，可以進(jìn)行各種更改和提高。相應(yīng)地，除了由本專(zhuān)利要求書(shū)所限定的外，本發(fā)明不受限制。
權(quán)利要求
1．一種鋁合金部件的制備方法，包括以下步驟提供由2000,4000,6000和7000系列的鋁合金制備的處于未處理狀態(tài)的具有熱處理溫度的鋁合金部件；提供一種含酚醛樹(shù)脂的可固化有機(jī)涂料，該涂料在鋁合金部件熱處理溫度下可固化；把含酚醛樹(shù)脂的有機(jī)涂料涂敷到所述的鋁合金部件上；和熱處理涂敷含酚醛樹(shù)脂涂料的鋁合金部件至其最后熱處理狀態(tài)，同時(shí)固化所述有機(jī)涂料，和得到涂敷的鋁合金部件，其極限抗剪強(qiáng)度大于未處理部件的極限抗剪強(qiáng)度。
2．一種鋁合金飛機(jī)部件的制備方法，該方法包括提供不是處于其最后熱處理狀態(tài)的鋁合金飛機(jī)部件前驅(qū)體；陽(yáng)極氧化該部件前驅(qū)體；提供一種含酚醛樹(shù)脂的有機(jī)涂料，該涂料具有非揮發(fā)性部分，它主要是有機(jī)的，并在鋁合金飛機(jī)部件前驅(qū)體的熱處理溫度下可固化；將所述含酚醛樹(shù)脂的有機(jī)涂料涂敷到上述鋁合金飛機(jī)部件前驅(qū)體上；在熱處理溫度下熱處理所述涂敷含酚醛樹(shù)脂涂料的鋁合金飛機(jī)部件前驅(qū)體足夠的時(shí)間至其最后熱處理狀態(tài)，并固化所述有機(jī)涂層，得到極限抗剪強(qiáng)度等于或高于24000psi的涂敷的鋁合金飛機(jī)部件。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，進(jìn)一步包括在涂敷有機(jī)涂料之前，陽(yáng)極化處理鋁合金部件的步驟。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中陽(yáng)極化是這樣進(jìn)行的，在陽(yáng)極化步驟中不致于化學(xué)密封該緊固件。
5．根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中陽(yáng)極化步驟包括在鉻酸中陽(yáng)極化處理部件。
6．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中提供鋁合金部件的步驟包括提供處于完全退火狀態(tài)的鋁合金部件的步驟。
7．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中的含酚醛樹(shù)脂的可固化有機(jī)涂料還包括有機(jī)成分聚四氟乙烯和無(wú)機(jī)添加劑鋁粉末和/或鉻酸鍶。
8．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中涂敷步驟包括向鋁合金緊固件噴涂有機(jī)涂料，然后從噴涂的涂層中除去揮發(fā)性組分。
9．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中熱處理步驟包括沉淀時(shí)效該鋁合金部件的步驟。
10．根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中提供鋁合金部件的步驟包括提供由選自2000系列，4000系列，6000系列和7000系列鋁合金的合金制成的部件。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的方法，還包括用上述鋁合金部件將工件緊固的步驟，該步驟在鋁合金部件和工件之間不使用任何液體密封料而完成。
12．由權(quán)利要求1或2的方法制備的鋁合金部件。
13．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述部件的極限抗剪強(qiáng)度約為34000至35000psi。
14．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述部件的強(qiáng)度約為41000至46000psi。
15．根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其中所述的有機(jī)涂料包括酚醛樹(shù)脂和有機(jī)溶劑。
16．由權(quán)利要求1或2的方法制備的緊固件。
17．根據(jù)權(quán)利要求16的緊固件，其中該緊固件選自螺栓，螺釘和鉚釘。
18．一種鋁合金緊固件的制備方法，包括以下步驟，提供一種由選自2000,4000,6000和7000系列的鋁合金制成的緊固件前驅(qū)體毛坯，該前驅(qū)體毛坯初始尺寸大于部件的最后預(yù)定尺寸；形變?cè)撉膀?qū)體毛坯至不同于緊固件最終尺寸的尺寸；固溶處理并退火該部件前驅(qū)體；在室溫時(shí)效該部件，形變?cè)摬考膀?qū)體至所需的最終尺寸；提供一種可固化的有機(jī)涂料，該涂料具有非揮發(fā)性部分，它主要是有機(jī)的，并在鋁合金緊固件前驅(qū)體的熱處理溫度下可固化，將有機(jī)涂料涂敷到鋁合金緊固件前驅(qū)體上，在足以固化有機(jī)涂料的溫度下熱處理該涂敷的鋁合金緊固件前驅(qū)體足夠的時(shí)間。
19．根據(jù)權(quán)利要求18的方法，包括在涂敷有機(jī)涂料之前的附加步驟陽(yáng)極化處理上述緊固件前驅(qū)體。
20．一種由權(quán)利要求18的方法制得的緊固件。
21．一種制備鋁合金緊固件的方法，包括以下步驟提供一種由選自2000,4000,6000和7000系列的鋁合金制成的鋁合金緊固件前驅(qū)體，其初始尺寸大于緊固件的最后預(yù)定尺寸，形變?cè)摼o固件前驅(qū)體至緊固件最后預(yù)定尺寸，提供一種可固化有機(jī)涂料，該涂料具有非揮發(fā)性部分，它主要是有機(jī)的并可在固化溫度下固化，把上述有機(jī)涂料涂敷到形變的緊固件前驅(qū)體上，在固化溫度下加熱所述涂敷的鋁合金緊固件前驅(qū)體足夠的時(shí)間至其最終狀態(tài)，使有機(jī)涂料固化，并部分退火緊固件前驅(qū)體至最終緊固件所要求的形變狀態(tài)，由此形成所述緊固件，該方法不包括固溶處理/退火步驟。
22．根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括在形變步驟之后和涂敷步驟之前的一個(gè)附加步驟陽(yáng)極化處理緊固件前驅(qū)體。
23．由權(quán)利要求22的方法制備的緊固件。
24．根據(jù)權(quán)利要求1-23中任一項(xiàng)的方法，還包括一個(gè)附加步驟在加熱處理步驟之后，將處于完全熱處理狀態(tài)的第一工件緊固到第二工件上。
全文摘要
制備了一種鋁合金部件例如緊固件或鉚釘(40),其方法是通過(guò)提供一種不在其最后熱處理狀態(tài)的鋁合金部件前驅(qū)體,其一種形式是其固溶處理/退火狀態(tài)。也提供了一種可固化有機(jī)涂料。方法包括:把有機(jī)涂料涂敷到鋁合金部件前驅(qū)體上;沉淀硬化處理該涂層鋁部件前驅(qū)體到其最后熱處理狀態(tài),從而同時(shí)固化有機(jī)涂層。如果鋁合金回火屬自然時(shí)效類(lèi)型,任選地在沉淀硬化時(shí)效之前把它稍微形變。
文檔編號(hào)C22F1/053GK1307938SQ0012403
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期1996年5月1日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月1日
發(fā)明者S·G·琴爾 申請(qǐng)人:馬克頓耐爾道格拉思公司