专利名称：轻合金自攻螺纹紧固件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用热固性轻金属合金制作的自攻螺纹紧固件，其杆的螺纹有牙型侧面，杆的一端为螺纹成形段，需要时还可有钻孔的锥形端部。本发明还涉及制造这样的螺纹紧固件的方法。
轻金属与其他金属，如钢铁比，密度低得多，因而比重小。因此，轻金属零件应用于减重很重要的场合，如汽车工业中。许多轻金属零件用压力铸造方法由铝、锌或镁合金制作的。但当这种零件与由渗碳钢、热处理钢或优质钢种制成的已知传统自攻螺纹紧固在一起时会有问题。镁合金制造的未镀表面涂层或后处理的螺纹配合连接件，及其中紧固件经表面硬化、热处理或是优质钢种做的，特别是螺钉配件暴露在腐蚀介质的情况下，连接件头部下面的接触区经常出现腐蚀的迹象。
这种接触腐蚀的原因在于轻金属零件和钢紧固件的电化学残余电势有很大差异。这种接触腐蚀极大地限制了螺旋配件使用安全性。虽然对表面渗碳钢，热处理钢或优质钢的紧固件镀上特殊的镀层可降低接触腐蚀，但并不能完全避免。轻金属零件与钢紧固件的螺纹配合连接的另一个问题是由于轻金属和钢的膨胀系数不同引起的。由于这种材当料温度略有上升就产生松弛，因此镁零件的工业应用同样受到限制。如果钢紧固件用于连接这些零件，则二种材料热膨胀系数的不同使螺纹配件的拉紧力产生很大波动。这进一步限制了镁零件的工业应用。
本发明的目的是要尽量避免现有技术中出现的这种缺点。
根据本发明，这一目的可用开头所述那种自攻螺纹紧固件来实现，由于热处理的不同，这种紧固件的至少一部分与其余部分在材料的显微组织上是不同的。
这种紧固件能将二种明显矛盾的性能集合于一身，即至少有一部分显示这种材料所允许的最大强度，而其余部分显示所用材料最大可能耐腐蚀性。本发明是基于以下认识，即热固化的铝合金零件，特别是含铜的零件，当热处理到最大强度时具有对应力裂纹腐蚀敏感的倾向，这种效应归因于在热时效硬化及/或沉淀处理时晶界区中共格沉淀和非共格沉淀的形成。它能导致晶间腐蚀。
紧固件一部分材料的显微组织可以改变，以使这部分显示极高的强度，伴随着耐腐蚀性可能下降，而紧固件其余部分材料即使在拉伸应力下也显示最大的耐腐蚀性。该紧固件的一个优选实施例是其杆的一端有螺纹成形锥形端部，此螺纹成形端部材料的显微组织给予材料的特殊强度，而紧固件其余部分材料的显微组织提供特别优异的耐腐蚀性能。
美国5,755,542A号专利公开了一种螺纹形的紧固件，虽然这种紧固件是同一块母材上加工出来的，它的全长上有不同的材料性能区域。然而，即使在说明书中未明确陈述，但这篇专利的相关母材必然是钢，轻金属决不可能显示RH50以上的洛氏硬度(第2栏，60/61行及权利要求9；实际上轻金属决不可能达到30RH以上的硬度)。与本发明主要内容一致的事实是，紧固件锥形端部提供的母材硬度大于紧固件其余部分。但紧固件其余部分材料性能的这种差异意味着柔性较好，因此在紧固件最后紧固状态其螺纹与周围接触紧密(第5栏，60-65行)。相反，本发明在轻金属紧固件的其余部分提供最大可能的耐腐蚀性。
举例说，紧固件不同部分材料显微组织的差异可通过对各部分用不同形式的热处理来达到。但也可用机械成形方法改变紧固件材料的显微组织。所述的机械成形同样限于紧固件的一部分。它同样可以在热处理后很好地进行，例如在热时效硬化后进行。采用的机械成形的方法可以是紧固件螺纹的滚压成形。
至少部分紧固件材料可用锻造铝合金，除铝外，下列成分含量为硅0.1-0.5％铁0-0.5％铜0.5-2.5％锰0.1-0.4％镁2.0-3.9％铬0-0.3％锌4.0-8.5％
钛0-0.2％锆0-0.25％如果轻金属零件，例如镁零件与本发明的紧固件连接在一起，则在开始时所说的那些问题不会发生，因为镁及铝有基本上相同的热膨胀系数，它们在20-100℃温度范围内分别为27×10-6/K-1(镁)和23.6×10-6/K-1(铝)。二种金属的腐蚀电位也相似，即镁为-1.67V.，铝为-0.83V。
上面所述的锻造铝合金制造的紧固件还能满足更多要求，即为螺纹牙面提供足够的硬度。为了省去在零件上切削出螺纹的工序，螺纹牙面高硬度是紧固件在零件上产生其螺纹的先决条件。否则就需要这一步。就加工成本而言，只有铝紧固件才能作为自攻螺纹紧固件与钢螺钉竞争。
推荐的紧固件类型是上述说明中的自攻螺纹紧固件，其中至少在螺纹牙面已作阳极化处理，因而已有氧化层。这样的氧化层极大地增加螺纹紧固件表面硬度并且导致能使用这样螺钉作为自攻螺纹紧固件。如果被连接材料没有足够的强度或硬度，则在螺纹紧固件表上有一层滑动镀层就足以确保正确形成配对的螺纹。在要求较高的情况下，硬的阳极化层可改进紧固件的驱动性能。
用于上述紧固件优选的氧化层是浸渍了减磨剂，例如聚四氟乙烯(Teflon)浸渍化合物。这种浸渍化合物极大地降低紧固件与被攻螺纹零件表面之间的摩擦。因此作用在紧固件上的力也减小，从而受到的应力也小了。反之，如果摩擦力未降低，仍然使用这种螺纹紧固件强度就会不够。
紧固件最好还有滑动涂层，至少在螺致牙面上。这样的滑动涂层可进一步减少上述的摩擦力，使上述优点更显著。原则上，铝制的自攻螺纹紧固件可做成适合各种用途的不同几何形状，但它将作为通用的自攻螺纹紧固件被使用。
紧固件的优选型式是其螺纹牙面隆起超出螺纹外径以外。这样的隆起最好这样布置，即形成一条或一条以上环绕紧固件杆身的螺旋线，隆起沿该螺旋线排列。当紧固件有特殊的牙面导程时，绕紧固件杆身周围的螺旋线的导程最好大于螺纹导程。这样形状的紧固件见德国专利文献第2703433号，但它不是用锻造铝合金制造的，实验表明，这种形状的铝紧固件有良好的螺纹配合效果。
本发明的目的还有制作符合本发明说明书的紧固件的方法，此方法包括以下几步-用滚压、切削方法加工出螺纹几何形状，构成紧固件；-将紧固件进行固溶退火；-将紧固件在水中淬火，及-将紧固件进行热时效硬化处理，使各个部分有不同的热处理。
紧固件在热时效硬化时对上述各部分作不同处理，使之在紧固件各部分可选择地形成不同的材料显微组织。在紧固件全长上选择有不同的性能，用传统的炉内热处理方法几乎没有可能，因为在这些炉子内整根紧固件自然有均匀的温度，因而在全长和横截而上有相应的均匀的性能。
但现有技术中固溶退火(US5,755,542A)后，紧固件在水中淬火时整个紧固件可有最大可能的硬度，只有紧固件其余部分作局部加热(热时效硬化)，导致该部分“过时效”，使它有所要求的最大耐腐蚀性。
然而，用感应加热方法可使紧固件各部分有不同的温度。为了做到这一点，紧固件在线圈中，也叫感应线圈，分开加热。这种适当的调整，使紧固件头部及传递拉力的螺纹长度可以经受一个温度及时间序列工艺曲线，达到最大耐腐蚀性，而在锥形端附近紧固件负责螺纹成型的那部分，同时经受不同的温度及时间序列工艺曲线作用而得到最大可能的材料硬度。每种情况下热处理工艺的最佳参数(温度，时间)取决于紧固件材料的化学成分。
紧固件热时效硬化热处理最好这样来完成，即紧固件远离头部的那部分有最大显微组织硬度，即那部分显微组织硬度最大。相应地，紧固件的热处理最好这样进行，除了远离头部的端部那部分外，整个紧固件有最佳的耐腐蚀性。
如果成品紧固件需要有螺钉头，则紧固件成形的工艺包括在滚压或切削形成螺纹几何形状之前先压制头部形状。此外，紧固件在固溶退火前最好先酸洗。固溶退火及热时效硬化相继在不同的持续时间和不同温度的各阶为中完成。这种处理可产生最佳的强度特性和韧性。适当的温度和持续时间取决于每种情况的确切材料成分。
这种应用的最佳实例是，固溶退火温度为460℃-520℃，最佳温度是470℃-480℃。
在一优选工艺中，螺纹几何形状最好在热时效后滚压或机加工形成。这表明用这种不同的方法形成紧固件起初限于冲压头部几何形状。紧固件随后作酸洗处理，固溶退火，并作热时效硬化。滚压或机加工形成的螺纹形状是最后阶段完成的，这样牙面得到较高的强度和硬度。由于是机械成型作业，螺纹滚压可进一步改变紧固件材料的显微组织，这样形成的部分，其显微组织强度增加。
感应加热紧固件，作为固溶退火处理是可行的。它方便地使固溶退火所需工艺时间大大减少。
为了使螺纹牙面硬度大于350HV0.3，紧固件可部分或整个作阳极化处理，这样在紧固件表面形成一层硬的氧化层，这些氧化层最终进行浸渍以降低摩擦，例如通过聚四氟乙烯(Teflon)化合物浸渍。这样还能实现上述的优点，随后给紧固件加一层滑动涂层使优点进一步增强。这一滑动涂层的作用是当形成螺纹时降低摩擦系数。螺纹成形时它还可降低牙面的塑性变形。
除上面陈述过的之外，这种紧固件还有优点，即和钢螺钉相反，锻造铝合金做的紧固件还可降低螺纹零件的重量。
下面详细说明二种制造方法，作为符合本发明紧固件的实施例，所述实施例借助于附图进行说明，所说的附图示出下列实例
图1是带园头的螺纹成型紧固件；图2是有六角头及括削槽的螺纹成型紧固件；图3是自钻孔紧固件；图4是有挤压孔成型杆部的自钻孔紧固件；图5是有括削槽的挤压孔成型自钻孔紧固件，及图6是无刮削槽的另一种挤压孔成型自钻孔紧固件。
图1-6的螺纹紧固件是用锻造铝合金做的，所述合金的化学成分在在前面指定的范围内。所有螺纹紧固件均用固溶退火、淬火及热时效硬硬化作热表面硬化处理，和根据要求而定的随后的表面处理。
图1中的自攻螺纹紧固件10的杆12上有外螺纹14，杆的一端是螺钉头16。外螺纹14的表面是由螺牙侧面18构成。当螺纹成型紧固件10拧入工件中时，其远离紧固件10的螺钉头的螺牙侧面18承受的载荷最大，因为它们在螺纹形成过程中必须完成大部分成形工作。紧固件10的这部分的过热处理使它有最大强度，它也能再作阳级化处理，用聚四氟乙烯化合物浸渍并在这部分或整个螺纹上涂一层滑动涂层，紧固件10的其余部分的热处理使其具有最好的耐腐蚀性。紧固件10拧入工件时必须仅有一个孔，孔内无内螺纹，螺纹由紧固件10本身拧入孔内时形成的。
正如图1中螺纹成型紧固件10一样，图2中的自攻螺纹紧固件20包括杆部22，其一端有六角头24，杆部22上有外螺纹26。与图1中的紧固件10的螺纹不同的是，外螺纹26上有额外的刮削槽28，此槽配合螺纹成型加工并且由螺纹26的螺牙侧面中的多个V型凹槽组成，这些V形槽与螺纹的螺牙侧面成直角。在一系列刮槽中一个接一个纵向排列。当紧固件20拧入预先钻好的孔中时，就在此孔中形成内螺纹，其方式和图1中的紧固件10的方式一样。但在紧固件20的情况下，此加工由括削槽28配合。至少在远离头部的杆端部分也进行过热处理，使这部分有最大强度，因为它主要是负责螺纹成型。它还可在部分或全长上再作阳极化处理，用聚四氟乙烯化合物浸渍并涂上滑动涂层。紧固件20的其余部分的热处理使其有最佳耐腐蚀性。
图3示出自钻孔螺纹紧固件40。和图2中的紧固件20十分相像，它有一杆部44，其一端有头部42，杆44的外螺纹48带有刮槽46。在远离头部的那一端，杆部44上有自钻孔的锥形端50。所说锥形端的切削刃52能使紧固件40在拧入工件内时工件不必预先钻孔而由它自行开孔。紧固件40然后用靠近杆44锥形端50的外螺纹48在此自钻孔中形成配合螺纹。至少锥形端50的热处理使其具有最大强度。它也可以由比制造紧固件其他部分的锻造铝合金更硬的不同材料制造。紧固件40的其余部分被热处理成使其具有最佳耐腐蚀性。
图4中的自攻螺纹紧固件60也有具有头部62的杆部64，和远离此头部的杆端的自钻孔锥形端66，此外在锥形端66和有外螺纹70的杆部之间还有一挤压孔成形杆部68。当紧固件60拧入没有预钻孔的工件时，紧固件60首先用锥形端66打孔，此孔随后被挤压孔成形杆部68扩大，从而形成环绕如此钻出的孔的撑圈(bead)。如果孔刚好钻透工件，则孔由于撑圈而变得较长。当紧固件60进一步拧入工件时，在自钻孔和撑圈中形成内螺纹。该内螺纹与紧固件60的外螺纹和配合。由于此内螺纹延伸到如此形成的撑圈中，因而其支承圈数比只用锥形端钻入工件而无挤压孔结构加以扩大的情况要多。紧固件60也经过热处理，提供锥形端66和必要的挤压孔形成杆部68以最大强度，而杆的其余部分有最佳耐腐蚀性。自钻孔锥形端66也可以用不同于紧固件其余部分的较硬材料制造。
图5示出螺纹紧固件80。和其它紧固件一样，它有头部82和带外螺纹86的杆部84。外螺纹86有刮削槽88，在远离头部的杆84的那一端，紧固件80有挤压孔形成锥形端90。该紧固件经受有区别的热处理，类似于上述几种紧固件。挤压孔形成锥形端90适合于在有预钻孔的金属板中使用，当紧固件80拧入有预钻孔的工件中时，挤压孔形成锥形端90首先排除边缘处的工件材料使孔扩大。这样在孔周围形成撑圈，从而延伸其全长。紧固件80上的螺纹86于是在有延长的撑圈的孔中形成相配的内螺纹。刮削槽88配合这一加工。
和其他紧固件一样，图6所示螺纹紧固件100有头部102和杆部104，杆部104上有外螺纹106。紧固件100和前述紧固件一样，经受类似的有区别的热处理，使锥形端部分有最大强度，而紧固件其余部分有最佳耐腐蚀性。杆104的远离头部那一端有一挤压孔形成锥形端108。与图5所示紧固件80的挤压孔形成锥形端90相反，紧固件100中的锥形端108构造成允许将紧固件100连接无预钻孔的金属板。当紧固件拧入工件，使原先位于孔区处的材料发生变形并被排除而形成环绕边缘的撑圈时挤压孔形成锥形端108便产生此孔。与紧固件100上的外螺纹106相配合的内螺纹也随即在此孔内形成。
代替螺纹侧面中的有特征凹槽的刮削槽28或88，紧固件20及/或80也可有凸起或隆起，诸如德国2703433号专利说明书中所述那样，此凸起或隆起位于原刮削槽28及/或88的凹槽所在处。该凸起或隆起分别伸到外螺纹26及/88的名义直径以外，并形成环绕紧固件20及/或80的杆部22及/或84延伸的几条螺旋线，凸起或隆起沿着这些螺旋线排列。这几条绕杆部的螺旋线的导程远大于相应螺纹的导程。当有这种凸起或隆起的螺纹紧固件拧入工件的预钻孔中时产生间隙螺纹，它可大大降低螺纹成形力矩。
当然，提供具有的不同几何形状的螺纹成形紧固件，当紧固件拧入工件时产生公制螺纹也是可能的。
所有上述几种紧固件都可用同样方法制造。
在第一种方法中，所述紧固件先冲压出紧固件需要的头部形状，并在杆部通过滚压或切削生成所要求的螺纹形状。然后将此紧固件酸洗并固溶退火。固溶退火的温度范围是470℃-520℃，紧固件固溶退火后在水中淬火，接着分二次进行热时效硬化。
为了一部分一部分地进行热时效硬化的局部加热可用感应加热进行。感应加热使在不同温度下完成本方法的各个步骤成为可能，尤其是可以在很短时间内完成加热。具体地说，感应加热可在热时效硬化时对热处理加以控制，使紧固件的锥形端有最大强度，即使这部分材料因此而显示出对晶间腐蚀有较大敏感性，而紧固件的其余部分的热处理使其有最佳耐腐蚀性。为此紧固件的热处理应对各个有关部分以不同的温度和不同的时间进行。
为了提高紧固件在螺纹侧面的强度和硬度，第二种方法是在热时效硬化之后的阶段进行滚压或切削，以产生螺纹几何形状，这第二种加工方法的特征在于起初只使用冲压方法加工出紧固件头部，然后进行酸洗，随后通过固溶退火、淬火和热固性处理完成热时效硬化。只有此后才加工出螺纹几何形状。
两种方法得到的紧固件在随后进行的所选用的处理是相同的，首先是表面阳极化，特别是对螺牙侧面部分。此工艺也叫电解氧化或硬质阳极涂层。由于阳极化处理在紧固件表面生成一层特别硬的氧化层，有助于提高螺纹侧面的硬度，比如可达350HV0.3以上。阳极化处后再对此氧化层作浸渍处理，例如可用聚四氟乙烯化合物。最后给紧固件涂一层滑动层以进一步降低在形成螺纹过程中产生的摩擦力。这也使得当紧固件拧入工件时螺纹侧面的塑性变形得到进步降低。
权利要求
1．自攻螺纹紧固件(10,20,40,60,80,100)用热固性轻金属合金作为材料制造而成，它的杆部(12,22,44,64,84,104)具有带螺纹面的螺纹(14,26,48,70,86,106)，其特征在于，紧固件至少一个区域上的材料与其它部分具有不同的构件。
2．根据权利要求1所述的紧固件，该紧固件杆部的一端上具有螺纹形成段，其特征在于，螺纹形成段区域内的紧固件材料的组织结构使所述材料具有特别高的强度，而紧固件其它部分的组织结构使这部分材料具有极高的耐腐蚀性。
3．根据权利要求1或2所述的紧固件，其特征在于紧固件材料至少一部分是锻造铝合金，除铝外，其他成分的含量是硅0.1-0.5％铁0-0.5％铜0.5-2.5％锰0.1-0.4％镁2.0-3.9％铬0-0.3％锌4.0-8.5％钛0-0.2％锆0-0.25％。
4．根据权利要求1-3之一所述的紧固件，其特征在于至少对紧固件(10,20,40,60,80,100,110)中的螺纹面进行阳极氧化处理并形成相应的氧化层。
5．根据权利要求4所述的紧固件，其特征在于氧化层上有浸渍物，以减少摩擦。
6．根据权利要求5所述的紧固件，其特征在于氧化层用聚四氟乙烯浸渍。
7．根据权利要求1-6之一所述的紧固件，其特征在于至少在紧固件的螺纹面上涂有滑动涂层。
8 符合上述权利要求任何一项的螺纹紧固件的制造方法包括以下步骤-用滚压或切削方法获得螺纹形状，形成紧固件，-紧固件的固溶退火，-紧固件在水中淬火，及-紧固件的热时效硬化，其特征在于，在热时效硬化期间，对紧固件的不同部分进行不同的热处理。
9．根据权利要求8所述的方法，其特征在于，用感应加热进行螺纹紧固件的热时效硬化。
10．根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在紧固件头部区域进行热处理，使之形成最大的组织硬度。
11．根据权利要求8-10之一所述的方法，其特征在于，对紧固件头部区域之外的部分进行热处理，使该部分达到最大的耐腐蚀性。
12．根据权利要求8-11之一所述的方法，其特征在于成型步骤包括在滚压或切削形成螺纹形状之前对头部形状的压制。
13．根据权利要求8-12之一所述方法，其特征在于在成型步骤和固溶退火步骤之间对紧固件进行酸洗的步骤。
14．根据权利要求8-13之一所述方法，其特征在于螺纹形状的形成是在热时效硬化后通过滚压或切削加工完成的。
15．根据权利要求8-14之一所述方法，其特征在于进行固溶退火的温度在460℃-520℃之间。
16．根据权利要求15所述方法，其特征在于进行固溶退火的温度在470℃-480℃之间。
17．根据权利要求8-16之一所述方法，其特征在于在权利要求9-16所规定的步骤之后进行硬化阳极化处理，且至少在螺纹面部分用阳极氧化方法形成氧化层。
18．根据权利要求17所述方法，其特征在于对在硬化的阳极氧化处理中形成的氧化层进行浸渍，以减少摩擦的步骤。
19．根据权利要求18所述方法，其特征在于氧化层用聚四氟乙烯浸渍，以降低摩擦。
20．根据权利要求8-19之一所述的方法，其特征在于最后的滑动涂层步骤，在这一步骤中，在紧固件上涂以滑动涂层。
全文摘要
本发明涉及自攻螺纹紧固件(10,20,40,80,100),它是用热固性轻合金制作的并用作切制螺纹的工具。其杆(12,22,44,64,84,104)上有螺纹(14,26,48,70,86,106),螺纹上呈现螺牙侧面。本发明的特征在于切螺纹工具上至少有一段螺纹与其余螺纹因热处理不同而有不同的组织。本发明还涉及螺纹紧固件的生产方法,通过轧制成形或通过金属切削产生螺纹形状;将螺纹紧固件固溶退火;且螺纹紧固件在水中淬火然后作热时效处理;这期间螺纹紧固件不同部分经受不同的热处理。
文档编号B21H3/02GK1324278SQ99812693
公开日2001年11月28日 申请日期1999年8月12日 优先权日1998年9月4日
发明者H·弗里德里希, B·雷克 申请人:联结技术两合公司