一种低密度螺栓的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种紧固件，特别是一种低密度螺栓。
【背景技术】
[0002]紧固件在市场上也称为标准件，是将两个或两个以上的零件(或构件)紧固连接成为一件整体时所采用的一类机械零件的总称。它的特点是品种规格繁多，性能用途各异，而且标准化、系列化、通用化的程度极高。紧固件是应用最广泛的机械基础件，需求量很大。常用的紧固件包括螺栓、螺栓等。
[0003]螺栓是一种机械零件，配用螺母的圆柱形带螺纹的紧固件。由头部和螺杆(带有外螺纹的圆柱体)两部分组成的一类紧固件，需与螺母配合，用于紧固连接两个带有通孔的零件。这种连接形式称螺栓连接。如把螺母从螺栓上旋下，又可以使这两个零件分开，故螺栓连接是属于可拆卸连接。
[0004]现有的螺栓都是采用整体金属结构，质量重，用料成本高，作为设备连接紧固件，在设备中所占重量比较大，不利于降低设备的整体质量，影响生产、运输和使用等各个环
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【发明内容】
[0005]为解决上述问题，本发明公开了一种低密度螺栓，具有质量轻便，整体平均密度小，牢固耐用，具有良好的强度和质量稳定性，连接质量好，机械性能稳定，重心稳定，作为连接紧固件在整台设备中占用质量比例明显降低。
[0006]本发明公开的低密度螺栓，包括螺栓帽、螺杆，螺杆包括陶瓷填充部、设置在陶瓷填充部外层的金属层以及设置在螺杆最外侧至少部分区域的陶瓷保护层，陶瓷填充部至少部分为氮化硅陶瓷，陶瓷填充部的表面粗糙度范围为0.2-2微米，陶瓷保护层至少表层材质为氮化硅陶瓷，并且陶瓷填充部的表面具有微孔，微孔平均直径为5-8微米，同时微孔的平均深度2-3微米。针对螺栓这种起到连接紧固作用的连接结构件，其在现有技术中均为全金色整体结构，由此毫无疑问地无论材料何种材质，无论是铜、铁、钢、铝等等，均具有等同于该金属的质量和密度，本方案中通过在螺栓的金属结构中以至少部分的氮化硅陶瓷结构件来对螺栓的金属结构来进行改善，以降低螺栓的质量，同时氮化硅陶瓷(特别是热压氮化硅)具有极高的硬度，在温度不太高的环境下具有良好的机械强度，即便是温度达到数百度(氮化硅陶瓷在工作温度达到1200度时，才会随着使用时间的增加而损伤)仍可以正常使用，故而能够在一定程度上增加螺栓的高温使用性能；另外陶瓷填充部上的多孔结构，使得硬度较高的陶瓷构件通过多孔与金属层的金属组织发生连接，金属组织上突出的触手状的“突触”结构延伸至多孔结构中，从而实现陶瓷构件与金属层的直接连接，而避免陶瓷填充部在金属层中因界面效应而导致机械性能急速降低，同时，适当深度的多孔又不至于是陶瓷层因多孔结构而急剧脆化易碎。
[0007]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷填充部包括至少一根柱形的陶瓷横棒，所述陶瓷横棒沿螺杆轴向设置，并且最外侧陶瓷横棒与金属层表层的最小距离不小于
0.5毫米且不大于螺杆的最小半径。本方案中，通过设置的陶瓷横棒，通过对横棒的设置方向和尺寸进行限定，在起到轴向替换加强，同时可以通过控制尺寸避免陶瓷填充部在螺栓中过大而致使硬度过高影响到螺栓的韧性和抗弯性能。
[0008]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷横棒的直径不小于螺杆最小半径的五分之一且不大于螺杆最小半径的三分之一。
[0009]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷填充部还包括陶瓷竖棒，所述陶瓷竖棒垂直于螺杆轴向设置且陶瓷竖棒与金属层表层的最小距离为1.5-2mm，并且陶瓷竖棒的长度为其延长线在螺杆内长度的四分之一至三分之一。本方案通过设置的陶瓷竖棒，在垂直于螺杆轴向的法向方向进行替换，可以有效改善螺杆在法向的硬度，从而降低使用中在法向受力而发生形变弯曲的几率，同时可以通过控制尺寸避免陶瓷填充部在螺栓中过大而致使硬度过高影响到螺杆法向的韧性和抗弯性能。
[0010]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷填充部还包括陶瓷斜棒，所述陶瓷斜棒与陶瓷横棒和陶瓷竖棒均倾斜。本方案通过设置的陶瓷斜棒，其与陶瓷横棒和陶瓷竖棒均倾斜，从而在螺杆内轴向以及法向以外的方向进行增强，避免螺栓因内部在轴向以及法向填充而导致应力响应不一致而发生各向异性的应力激变而出现裂纹错位等损伤，从而提高了螺栓的使用安全性和便利性。
[0011]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷斜棒不突出螺杆的表面。本方案使得陶瓷斜棒在螺杆中不突出其表面一一即露出或者掩埋在螺杆中，不仅仅方便螺栓的使用方便钉入连接工件中，同时还可以在不影响轴向和径向性能的前提下进一步地降低整体的质量，以及改善表面磨损性能，并且降低意外因素(施力方向不对或者工件材质变化)而发生弯曲形变的几率。
[0012]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，陶瓷填充部分为以碳化硅陶瓷为主体以及在主体外层至少部分为氮化硅陶瓷表层。本方案通过采用以碳化硅陶瓷为主体，并在主体表层设置至少部分氮化硅陶瓷表层的方案，在考虑到氮化硅陶瓷高成本的同时，充分利用氮化硅高硬度的性质，为陶瓷填充部的主体提供保护，不仅仅改善结构硬度和组织相容性，同时还可以在一定程度上提升螺栓的高温使用性能，通过提升螺栓自身结构的稳定性，从而提升其在高温使用环境下的适应性，扩展螺栓的使用范围。
[0013]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，氮化硅陶瓷的原料组成包括(以重量份数计):硅粉4-5、凹凸棒土 10-13、钛酸酯2-3、二氧化锡4-6、a -Si3N4粉70-78、聚乙烯醇1-2、碳硅硼8-12、乙炔炭黑2-3、氟锆酸钾3-4、硫酸锆3_4、正硅酸乙酯3_4、氢氧化钾1_2、助剂4-6 ;所述助剂包括下列重量份的组成:高岭土 3-4、四盐基铬酸锌0.3-0.4、硅烷偶联剂 kh-5500.6-0.8、聚乙二醇 0.3-0.4、水 7-11。
[0014]本发明公开的低密度螺栓的一种改进，氮化硅陶瓷的制备方法为:(1)将硅粉、凹凸棒土、二氧化锡、聚乙烯醇、碳硅硼混合，球磨，过200目筛，加入助剂，送入球磨机中继续球磨24-27个小时，再加入氢氧化钾的乙醇溶液，继续球磨2-3个小时，水洗至PH值为8_9，过滤，得到滤饼；(2)将第(1)步得到的滤饼粉碎，在氮气氛围下，850-900°C下煅烧2-3个小时，取出粉碎，过50目筛，得到颗粒；(3)取30-40重量份的乙醇，加入正硅酸乙酯，搅拌至溶解，加入钛酸酯、乙炔炭黑、氟锆酸钾、硫酸锆，搅拌得到混合物料，将a -Si3N4粉边翻腾搅拌边喷入混合物料，加热至70-8(TC，持续翻腾搅拌至乙醇完全蒸发，粉碎，过50目筛，得到颗粒；⑷将第⑵步和第⑶步得到的颗粒与其他剩余成分混合，按料:球:水=1:1.4:0.7，球磨24-30个小时，造型成坯，在氮气氛围中，700-800°C下预烧1.5-2个小时，再在1680-1720°C下煅烧4-5个小时。
[0015]本发明公开的低密度螺栓，通过设置的陶瓷填充部分，在螺杆的金属结构中起到局部增强和替换减重，调整螺栓的整体平均密度，降低螺栓在整个安装设备结构中的占重，在减轻螺栓质量的同时，还可以与常规紧固件(即普通的纯金属紧固件)配合使用来调节整个安装设备结构的重心，以提高稳定性和使用安全性，同时降低构建安装的难度和基础要求。
【具体实施方式】
[0016]下面结合【具体实施方式】，进一步阐明本发明，应理解下述【具体实施方式】仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
[0017]实施例1
[0018]本实施例中低密度螺栓包括螺栓帽、螺杆，螺杆包括陶瓷填充部、设置在陶瓷填充部外层的金属层以及设置在螺杆最外侧至少部分区域的陶瓷保护层，陶瓷填充部至少部分为氮化硅陶瓷(即陶瓷填充部的局部或者全部为氮化硅陶瓷)，陶瓷填充部的表面粗糙度为0.2微米(陶瓷填充部的表面粗糙部还可以为0.25,0.3,0.31,0.36,0.4,0.44、
0.5、0.56、0.6、0.66、0.7、0.74、0.78、0.8、0.84、0.9、0.92、1.0、1.03、1.12、1.2、1.24、1.3、
1.36、1.4、1.44、1.5、1.58、1.6、1.65、1.7、1.72、1.8、1.88、1.9、1.98、2.0 以及 0.2-2 微米范围内的其它任意值)，陶瓷保护层至少表层材质为氮化硅陶瓷(即陶瓷保护层可以为最外表一层为氮化硅陶瓷层，其它部分为包括氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、普通硅酸盐陶瓷、氧化铝陶瓷等在内的其它陶瓷层；也可以为整体