一种铝合金厚板的孔挤压强化方法和所述方法用润滑剂与流程

本发明属于铝合金加工技术领域，特别涉及一种铝合金厚板的孔挤压强化方法和一种适用于所述方法的润滑剂。

背景技术：

飞行器的绝大多数构件是通过在连接孔中安装紧固件而装配在一起的。而孔的周围为高应力集中区，易发生疲劳断裂失效等问题。随着航空航天事业的迅速发展，对于飞行器抗疲劳制造技术的要求不断提高。实际生产过程中，常采用孔挤压技术对孔进行强化，孔挤压强化技术通过硬质的挤压棒连续、均匀的挤压孔，使孔周围形成一定深度的弹塑性变形层和加工硬化层，从而提高孔的疲劳寿命。

在孔挤压过程中，为了防止挤压棒划伤孔壁或与孔壁发生黏合，挤压前通常在孔壁表面均匀地涂覆润滑剂，并对其干燥后形成干膜，以减少挤压棒与孔壁之间的摩擦力。然而，在实际生产过程中，由于孔挤压强化工艺所需挤压量高，所用挤压力大，常常无法避免地出现孔壁被划伤或孔壁-挤压棒黏合的现象，严重降低了挤压强化的效果。

技术实现要素：

为了改善现有技术的不足，本发明提供一种铝合金厚板的孔挤压强化方法和一种适用于所述方法的润滑剂。铝合金厚板的孔在挤压强化过程中，挤压棒与连接孔过盈配合，挤压棒与连接孔会产生明显的强化阻力，强化阻力对强化拉力、孔壁轴向应力分布、孔口材料挤出量等具有重要影响，直接影响孔的冷挤压疲劳强化效果。强化阻力对挤压棒与连接孔壁的摩擦系数十分敏感，即使摩擦系数的小幅度改变也将引起强化阻力的明显变化，影响强化效果。

本申请的发明人在研究中出人意料地发现，涂覆在孔壁上的润滑剂干燥后形成的减磨涂层厚度很薄，挤压过程中挤压棒对涂层表面上的压力又存在不均匀分布，这些使得减磨涂层在挤压时产生磨损上的差异，甚至部分区域被磨穿。而当发生磨损或磨穿的情况时，挤压棒与连接孔壁的摩擦系数也随之改变，影响强化效果。

为了保证孔挤压强化效果，本申请的发明人从均匀化摩擦系数的角度出发，提供了一种铝合金厚板的孔挤压强化方法和一种润滑剂，通过在孔壁上涂覆从底层至表面摩擦系数增大的具有差异化的减磨涂层，从而当减磨涂层发生磨损时提供更加均匀的摩擦系数和更好的润滑性能，以此降低孔壁被划伤或孔壁-挤压棒黏合的风险，保证孔挤压强化的效果。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种铝合金厚板的孔挤压强化方法，包括以下步骤：

在待强化的孔的孔壁上涂覆润滑剂；

干燥，所述润滑剂干燥后形成包括至少两层不同摩擦系数的减磨涂层，且所述减磨涂层中，位于外层的减磨涂层的摩擦系数大于位于内层的减磨涂层的摩擦系数；

对待强化的孔进行挤压强化。

根据本发明的实施方式，形成的减磨涂层的总厚度为80~160μm，例如为90μm、100μm、110μm、120μm、130μm、140μm、150μm或160μm。

根据本发明的实施方式，形成的至少两层不同摩擦系数的减磨涂层的厚度可以相同，也可以不同，优选为相同或相近。

根据本发明的实施方式，位于外层的减磨涂层的摩擦系数为0.15~0.20。

根据本发明的实施方式，位于内层的减磨涂层的摩擦系数为0.06~0.10。

根据本发明的实施方式，所述方法包括如下步骤：

在待强化的孔的孔壁上涂覆至少两种润滑剂，两种润滑剂中的固体润滑组分含量不同；

干燥，所述润滑剂干燥后形成至少两层不同摩擦系数的减磨涂层，且所述减磨涂层中，位于外层的减磨涂层的摩擦系数大于位于内层的减磨涂层的摩擦系数；

对待强化的孔进行挤压强化（例如，用挤压棒对待强化的孔进行挤压强化）。

根据本发明的实施方式，由于两种润滑剂中固体润滑组分含量不同，导致形成的减磨涂层的摩擦系数不同，具体地，润滑剂中固体润滑组分含量越高，形成的减磨涂层的摩擦系数越小，因此，涂覆至少两种固体润滑组分含量不同的润滑剂，润滑剂干燥后可以形成至少两层不同摩擦系数的减磨涂层。

根据本发明的实施方式，所述润滑剂可选用下文中所限定的润滑剂。

根据本发明的实施方式，所述铝合金选自本领域已知的各类铝合金，特别地，所述铝合金选自7000系铝合金；其中，所述7000系铝合金选自7055铝合金、7085铝合金、7150铝合金、7a55铝合金、7a85铝合金、7b50铝合金、7075铝合金、7050铝合金、7010铝合金、7a01铝合金中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述铝合金厚板的厚度为30~100mm，例如为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm、80mm、90mm或100mm。

根据本发明的实施方式，所述待强化的孔的孔径为6~20mm，例如为6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。

根据本发明的实施方式，所述待强化的孔的孔壁表面粗糙度为ra0.2~ra1.6，例如为ra1.6、ra0.8、ra0.4或ra0.2。

根据本发明的实施方式，按照hb/z170-2005《航空零件的孔挤压强化》标准对待强化的孔进行挤压强化。

示例性地，所述对待强化的孔进行挤压强化包括如下步骤：

将挤压棒（如带锥度的金属芯棒）插入待强化的孔中，对挤压棒的端部实施机械压力，使挤压棒的最大直径部位穿过待强化的孔后停止加压。

根据本发明的实施方式，所述对待强化的孔进行挤压强化的挤压量为2.5~3.8%，例如为3.0%。

根据本发明的实施方式，所述方法包括如下步骤：

1）将第一润滑剂均匀涂覆在待强化的孔的孔壁上，干燥后形成第一减磨涂层；

2）将第二润滑剂均匀涂覆在第一减磨涂层上，干燥后形成第二减磨涂层；其中第一润滑剂和第二润滑剂中的固体润滑组分含量不同，第二减磨涂层的摩擦系数大于第一减磨涂层的摩擦系数；

3）用挤压棒对待强化的孔进行挤压强化。

根据本发明的实施方式，所述方法还包括在第一减磨涂层和第二减磨涂层之间形成过渡减磨涂层的步骤，所述过渡减磨涂层的摩擦系数介于第一减磨涂层和第二减磨涂层的摩擦系数之间。

根据本发明的实施方式，所述过渡减磨涂层若为1层时，所述过渡减磨涂层的摩擦系数介于第一减磨涂层和第二减磨涂层的摩擦系数之间；所述过渡减磨涂层若为n层时，所述过渡减磨涂层的摩擦系数介于第一减磨涂层和第二减磨涂层的摩擦系数之间，且越靠近第一减磨涂层的过渡减磨涂层的摩擦系数越小，越靠近第二减磨涂层的过渡减磨涂层的摩擦系数越大，其中n≥2。

可以理解的，在形成第二减磨涂层之前还可以涂覆过渡润滑剂形成过渡减磨涂层，过渡减磨涂层的摩擦系数介于第一减磨涂层和第二减磨涂层之间，从而形成摩擦系数过渡的中间层。也就是说，在待强化的孔的孔壁上涂覆形成包含至少两层不同摩擦系数的减磨涂层，且这些减磨涂层中，位于外层的摩擦系数要比位于内层的摩擦系数大。

根据本发明的实施方式，所述第一润滑剂和所述第二润滑剂选自下文所述的润滑剂。优选地，所述第一润滑剂和所述第二润滑剂均包括固体润滑组分、固化树脂和溶剂，但是第一润滑剂和第二润滑剂中的固体润滑组分含量不同，以此提供不同摩擦系数的减磨涂层。

根据本发明的实施方式，形成第一减磨涂层的第一润滑剂中固体润滑组分的含量大于形成第二减磨涂层的第二润滑剂中固体润滑组分的含量，如此，待第一润滑剂和第二润滑剂干燥后，形成的第一减磨涂层比形成的第二减磨涂层中含有更多的固体润滑组分，从而摩擦系数较低。

本发明还提供一种润滑剂，所述润滑剂特别地适用于上述的铝合金厚板的孔挤压强化方法，所述润滑剂的制备原料包括如下质量份数的各组分：（a）固体润滑组分，20~70份；（b）固化树脂，50~120份；和（c）溶剂，70~120份。

根据本发明的实施方式，所述润滑剂的制备原料包括如下质量份数的各组分：（a）固体润滑组分，20~55份；（b）固化树脂，70~110份；和（c）溶剂，80~100份。

示例性地，（a）固体润滑组分的加入量为20份、25份、30份、35份、40份、45份、50份、55份、60份、65份或70份。

示例性地，（b）固化树脂的加入量为50份、55份、60份、65份、70份、75份、80份、85份、90份、95份、100份、105份、110份、115份或120份。

示例性地，（c）溶剂的加入量为70份、75份、80份、85份、90份、95份、100份、115份或120份。

根据本发明的实施方式，所述固体润滑组分选自二硫化钼、鳞片石墨、二硫化钨、六方氮化硼和聚四氟乙烯中的至少一种。

根据本发明的实施方式，所述固体润滑组分选自二硫化钼、鳞片石墨、二硫化钨和六方氮化硼中的至少两种。

进一步地，所述固体润滑组分选自鳞片石墨和二硫化钨。其中，鳞片石墨是一种层状结构的天然固体润滑剂，其形似鱼磷状，属六方晶系，呈层状结构，具有良好的耐高温、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能；二硫化钨的结构与石墨类似，具有很低的摩擦系数，较高的抗极压性能和抗氧化性能。

示例性地，所述鳞片石墨与所述二硫化钨的质量份数比为(15~35):(5~20)，例如为(15~25):(5~15)或(25~35):(10~15)。

根据本发明的实施方式，所述固体润滑组分的颗粒尺寸为0.5μm~500μm。

优选地，所述固体润滑组分的颗粒尺寸为40μm~150μm。

示例性地，所述鳞片石墨的颗粒尺寸为40μm~80μm，纯度大于等于96.5%。

示例性地，所述二硫化钨的颗粒尺寸为45μm~100μm。

根据本发明的实施方式，所述固化树脂选自聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯、酚醛树脂和环氧树脂中的至少一种。

进一步地，所述固化树脂为环氧树脂、聚酰亚胺树脂中的至少一种，还进一步地，所述固化树脂为环氧树脂和聚酰亚胺树脂。

示例性地，所述环氧树脂与所述聚酰亚胺树脂的质量份数比为(20~30):(50~80)。

根据本发明的实施方式，所述固体润滑组分可以均匀的分散在所述固化树脂中。所述固化树脂的加入使得所述润滑剂干燥后形成的减磨涂层可以为待强化的孔的孔壁的不平滑的表面提供一些补偿，在挤压过程中减少摩擦，提高强化均匀性。同时，所述固化树脂还具有优异的力学性能和耐高低温性能，特别是在高温、高压等苛刻环境下尤为突出，非常适合挤压强化，各成分协调作用，使得润滑剂具有高抗载、低摩擦系数和高韧性、耐高低温等优点。

根据本发明的实施方式，所述溶剂选自丙酮、乙醇、丁醇或二甲苯中的至少一种。

示例性地，所述润滑剂包括如下质量份数的各组分：

鳞片石墨15~35份

二硫化钨5~20份

聚酰亚胺20~30份

环氧树脂50~80份

溶剂80~100份。

示例性地，所述润滑剂包括如下质量份数的各组分：

鳞片石墨15~25份

二硫化钨5~15份

聚酰亚胺20~30份

环氧树脂50~80份

溶剂80~100份。

示例性地，所述润滑剂包括如下质量份数的各组分：

鳞片石墨25~35份

二硫化钨10~15份

聚酰亚胺20~30份

环氧树脂50~80份

溶剂80~100份。

本发明还提供上述润滑剂的制备方法，所述方法包括如下步骤：

将固化树脂溶于溶剂中，然后加入固体润滑组分，并进行超声分散，得到分散均匀的润滑剂。

根据本发明的实施方式，所述的润滑剂在固化温度下经过固化后干燥成膜，形成减磨涂层。

其中，所述固化温度为110℃±5℃条件。

本发明还提供上述润滑剂的用途，其用于铝合金领域。

根据本发明的实施方式，其用于铝合金厚板的孔挤压强化领域，具体的，其用于上述的铝合金厚板的孔挤压强化方法中。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种铝合金厚板的孔挤压强化方法和一种适用于该方法的润滑剂。

（1）本发明通过在待强化的孔的孔壁上涂覆形成具有差异润滑性能的减磨涂层，且涂层表面的摩擦系数较内层的摩擦系数大，从而能够在涂层发生磨损时提供更均匀的摩擦系数和更好的润滑性能，降低孔壁划伤的或孔壁-挤压棒黏合概率，保证孔挤压强化效果，提高生产效率。

（2）本发明的减磨涂层中以微米级的固体润滑组分（特别是鳞片石墨和二硫化钨）做固体润滑剂，并添加固化树脂，其中固体润滑组分具有良好的耐高温、导热、润滑、可塑及耐酸碱等性能，同时具有很低的摩擦系数，较高的抗极压性能和抗氧化性能，固化树脂具有优异的力学性能和耐高低温性能，同时还具有优异的减磨抗磨性能，特别是在高温、高压等苛刻环境下尤为突出，非常适合挤压强化，各成分协调作用，使得润滑剂具有高抗载、低摩擦系数和高韧性、耐高低温等优点，为挤压强化提供极佳的润滑效果，进一步保证挤压强化效果。

附图说明

图1为未进行孔挤压强化的铝合金厚板孔洞处疲劳断裂组织；

图2为实施例2中铝合金厚板完成孔挤压强化后的孔洞处疲劳断裂组织；

图3为实施例2中距疲劳源8mm处的sem显微组织；

图4为对比例2中距疲劳源8mm处的sem显微组织。

具体实施方式

下文将结合具体实施例对本发明做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而并非指示或暗示相对重要性。

实施例1

配制润滑剂。

第一润滑剂包括如下质量份数的各组分：

鳞片石墨30份、二硫化钨15份、聚酰亚胺22份、环氧树脂68份、乙醇80份和二甲苯10份。

第二润滑剂包括如下质量份数的各组分：

鳞片石墨20份、二硫化钨10份、聚酰亚胺22份、环氧树脂68份、乙醇80份和二甲苯10份。

按照润滑剂的原料组成，将环氧树脂和聚酰亚胺溶于溶剂中，然后加入鳞片石墨和二硫化钨，并进行超声分散，得到分散均匀的润滑剂。

本发明实施例的润滑剂具有高抗载、低摩擦系数和高韧性、耐高低温等优点，同时还具有优秀的固化性能，在涂覆前润滑剂为液体状态，完成涂覆后置于固化温度下进行固化，其中的溶剂在固化温度下很容易挥发，所需固化时间短。

对本发明的润滑剂进行检测，结果显示，于110℃±5℃条件下，第一润滑剂和第二润滑剂的固化时间不超过1h，而涂层厚度为20μm~60μm时，涂层在15分钟内即可完成干燥成膜。

实施例2

7050铝合金厚板的孔挤压强化，包括如下步骤：

1）待强化的孔：孔径10mm，孔壁表面的光洁度为ra1.6，挤压量为1%。

2）将实施例1的第一润滑剂涂覆在待强化的孔的孔壁上，第一润滑剂固化干燥后，形成厚度为60μm的第一减磨涂层；于第一减磨涂层上涂覆实施例1的第二润滑剂，第二润滑剂固化干燥后形成厚度为50μm的第二减磨涂层。

3）按照hb/z170-2005《航空零件的孔挤压强化》标准对待强化孔进行挤压强化：将带锥度的金属芯棒（挤压棒）插入待强化孔中，对金属芯棒的端部实施机械压力，使金属芯棒的最大直径部位穿过制件的孔后停止加压。

实施例3

实施例3与实施例2基本相同，不同之处在于步骤2）中用石墨质量分数为20%的市售的孔挤压用的石墨干膜替换第一润滑剂，干燥后形成厚度为60μm的减磨涂层，用石墨质量分数为13%的市售的孔挤压用的石墨干膜替换第二润滑剂，干燥后形成厚度为50μm的减磨涂层。

对比例1

对比例1与实施例2基本相同，不同之处在于步骤2）中在待强化的孔的孔壁上涂覆crcindustries,inc公司的普通市售的孔挤压用的石墨干膜润滑剂（crc03094型），干燥后形成厚度为110μm的减磨涂层。

对比例2

对比例2与实施例2基本相同，不同之处在于步骤2）中在待强化的孔的孔壁上仅涂覆第一润滑剂，干燥后形成厚度为110μm的减磨涂层。

对比例3

对比例3与实施例2基本相同，不同之处在于步骤2）中在待强化的孔的孔壁上仅涂覆第二润滑剂，干燥后形成厚度为110μm的减磨涂层。

对实施例2和实施例3挤压强化后的制件进行检测，并对完成挤压后的待强化的孔的孔壁进行观察，结果表明，采用实施例2和实施例3的挤压强化方法均可以实现良好的孔挤压效果，经过挤压强化后，均表现出良好的疲劳性能，特别地，实施例2的疲劳循环次数达6.7×10⁶次，实施例3的疲劳循环次数为1.8×10⁶次，实施例2优于实施例3。

对实施例2和对比例1挤压强化后的制件进行检测，并对完成挤压后的待强化的孔的孔壁进行观察，结果表明，本发明实施例2孔挤压强化可以实现良好的孔挤压效果，经过挤压强化后，制件的疲劳寿命提高了29倍（相比于对比例1）；从图1和图2中可以看出，未经孔挤压强化的7050厚板断口疲劳条带宽度约1.03μm，经实施例2强化后的疲劳条带宽度仅0.45μm，实施例2表现出良好的疲劳性能。同时，对比例1中的待强化的孔的孔壁上的减磨涂层明显较实施例2的严重，对比例1的减磨涂层有部分区域被磨破，而实施例2无磨破现象。

此外，对实施例2和对比例2挤压强化后的制件进行检测，结果表明，本发明实施例2孔挤压强化可以实现良好的孔挤压效果，经过挤压强化后，实施例2制件的疲劳寿命提高了近45倍（相比于对比例2）；从图3和图4中可以看出，实施例2在疲劳源8mm处才观察到明显的疲劳条带，而对比例2在疲劳源8mm处已观察到明显的断裂韧窝，由此说明，实施例2表现出良好的疲劳性能。对实施例2和对比例3挤压强化后的制件进行检测，也进一步说明实施例2表现出良好的疲劳性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。