专利名称：一种提高金属构件连接孔强度的方法
技术领域：
本发明涉及材料加工领域，特别提供了一种提高金属构件连接孔强度的方法。
背景技术：
一些金属构件在工作时，其某些局部部位要进行开孔(螺孔与光孔)以实现与其它构件的连接，这一区域长期受到反复的拉压、扭转等作用，极易出现脱扣、撕裂等方式的损坏，整个构件也就失效，甚至出现事故。若将这些关键工作部位进行强化以改善其性能，提高连接可靠性，则可以增加整个构件的寿命，减少事故的发生。锻造、轧制、挤压等塑性变形工艺可以大幅提高构件的性能，但会改变零件的形状，对于已成型的复杂构件无能为力。因此，实现对已成型的复杂构件进行局部强化具有重要的现实意义和广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高金属构件连接孔强度的方法，以解决金属构件极易出现脱扣、撕裂等方式的损坏问题，从而大幅度提高构件的寿命，减少事故的发生。本发明提供了一种提高金属构件连接孔强度的方法，其主要是在金属构件上需要开孔(螺孔或是光孔)的区域进行搅拌摩擦加工，通过剧烈的材料塑性变形，使该区域组织细化、致密化、均勻化，形成致密的锻造组织，其力学性能得以大幅改善，提高其连接强度与可造性，从而延长整个构件的服役寿命，其特征在于具体的步骤如下，
——准备将金属构件固定在工作平台上；
——搅拌摩擦加工对金属构件上需要开孔的区域进行搅拌摩擦加工，其中摩擦加工的工艺参数为，加工区的深度为0-100mm、加工工具转速200-4000转/分钟、行进速度 20-1000毫米/分钟。其中，所述搅拌摩擦加工为单道次或多道次搭接加工，当为多道次搭接加工时，搭接率为30-100%，其中，多道次搭接加工前后相邻道次之间具有一定的重复部分，该重复部分面积占单独道次面积的比率称为搭接率。为了提高冷却速度和增加金属构件的强化效果，可以将金属构件放入压缩空气气流、水或过冷液中，温度为 80 °C 0 °(的条件下进行搅拌摩擦加工；比如一边加工，一边对加工区吹压缩空气或先将工装安装在水槽中，放满水没过工件，然后开始加工。本发明提供的提高金属构件连接孔强度的方法适用于金属构件的材质为铝合金、 镁合金、铜合金、锌合金、钛合金、铁合金。搅拌摩擦加工是在搅拌摩擦焊基本原理基础上发展起来的一种新的金属材料塑性加工技术。在搅拌工具的剧烈机械作用下，加工区材料升温、软化并发生强塑性变化，原始粗大组织破碎，脆性第二相破碎或溶解并均勻分布，孔隙在搅拌针的搅动和轴肩的碾压作用下弥合，使原始组织转变成为致密的锻压组织。与其它塑性加工技术相比，搅拌摩擦加工工序简单，一步加工即可实现材料微观结构的细化、致密化、均勻化。这种强化是通过调整加工区的微观组织实现的，无需外来添加物，其过程类似于机械加工，易于实现机械化、 自动化，且无有害物质产生，绿色环保。
搅拌摩擦加工的单道次加工区可以小至几个平方毫米，对于大面积可通过多道次搭接实现，加工方式灵活，可根据被加工件的复杂程度进行工艺调整。其加工深度可深达几十毫米，从而实现“立体化”强化处理。本发明提供的提高金属构件连接孔强度的方法，具有加工工艺流程短、成本低、易于操作，绿色环保，可以解决工业界的连接难题的优点。
图1为复杂形状铝合金铸件的正面视图； 图2为复杂形状铝合金铸件的底面视图3为安装完引出板的复杂形状铝合金铸件的俯视图； 图4为FSP后复杂形状铝合金铸件的俯视图； 图5为打磨处理后的复杂形状铝合金铸件的俯视图； 图6为引出部位的测试图。
具体实施例方式实施例1
如图1、图2所示为某单位生产的复杂形状铝合金铸件，材料为ZAlSi7MglAt5进一步机械加工时需要在四个突台上开孔并配螺栓。由于铸造铝合金的组织粗大，力学性能低，加工性能差，加工时螺纹上易出现缺口 ；服役中此处常常出现在破损，导致零件失效。我们首先根据铸件形状设计出合理的安装夹具和引出板结构(见图3)，使用夹具将铝合金铸件固定在工作平台上，然后采用转速2000转/分钟、行进速度400毫米/分钟的工艺参数对该零件的四个柱状区进行搅拌摩擦加工强化处理，加工区的深度为15mm，其过程如图4 6所示。经搅拌摩擦加工后，其延伸率提高300%，平均硬度提高50%，在没有改变铸件的整体构造而使其局部得到强化。避免了加工螺纹时缺口的出现，该工件在服役寿命提高1倍以上。实施例2
某大型发兰件采用A356铝合金铸造而成，由于是铸件，其组织粗大，并含有粗大的共晶Si枝晶结构、鱼骨状的Mg2Si、含铁相以及缩孔等，其强度、韧性和疲劳性能等，受缩孔含量和尺寸、共晶Si颗粒的形状和尺寸及分布均勻程度的影响。在光孔处易出现疲劳裂纹而从而使零件失效。将其固定在工作平台上后，在转速1500转/分钟、行进速度300毫米 /分钟、搭接率为50%的条件下进行搅拌摩擦加工后，加工后该区域的晶粒细化，铝枝晶破碎，粗大针状Si相破碎并均勻分布，加工区抗拉强度与延伸率分别比母材提高80%与600% 以上，疲劳强度提高150%，克服了使用过程中连接孔周围裂纹的出现，零件使用寿命提高1 倍以上。实施例3
某框架结构，由AZ91D镁合金铸造而成，需要开孔与钢结构底座连接。由于晶界上分布着网状金属间化合物，铸件具有低的强度和塑性，在开孔处易出现疲劳裂纹而从而使零件失效。将铸件固定在工作平台上后，在转速300转/分钟、行进速度20毫米/分钟、搭接率为30%的条件下进行两次搅拌摩擦加工后，加工后该区域的晶粒细化，粗大网状相破碎并均勻分布，抗拉强度与延伸率分别提高150%与300%。零件在服役过程中无连接孔开裂问题，使用寿使提高1倍以上。
权利要求
1.一种提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于具体的步骤如下，—准备阶段将金属构件固定在工作平台上；—搅拌摩擦加工对金属构件上需要开孔的区域进行搅拌摩擦加工，其中摩擦加工的工艺参数为，加工工具转速200-4000转/分钟、行进速度20-1000毫米/分钟。
2.按照权利要求1所述提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于将金属构件放入压缩空气气流、水或过冷液中，温度为-80 °C 0 °C的条件下进行搅拌摩擦加工。
3.按照权利要求1所述提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于摩擦加工的加工区深度为0-100mm。
4.按照权利要求1所述提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于所述搅拌摩擦加工为单道次或多道次搭接加工。
5.按照权利要求4所述提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于所述多道次搭接加工中搭接率为30-100%，其中，多道次搭接加工前后相邻道次之间具有一定的重复部分，该重复部分面积占单独道次面积的比率称为搭接率。
6.按照权利要求1所述提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于所述金属构件的材质为铝合金、镁合金、铜合金、锌合金、钛合金、铁合金。
全文摘要
一种提高金属构件连接孔强度的方法，其特征在于具体的步骤如下，准备阶段将金属构件固定在工作平台上；搅拌摩擦加工对金属构件上需要开孔的区域进行搅拌摩擦加工，其中摩擦加工的工艺参数为，加工工具转速200-4000转/分钟、行进速度20-1000毫米/分钟；具有加工工艺流程短、成本低、易于操作，绿色环保，可以解决工业界的连接难题的优点。
文档编号C21D8/00GK102560041SQ20101060469
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者倪丁瑞, 王东, 肖伯律, 马宗义 申请人:中国科学院金属研究所