CN112267089A - 一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料工程技术领域，涉及一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法。本发明利用显微组织均匀细小且晶粒尺寸在100nm以下的铝合金表面可控形成致密氧化膜的特点，通过磨光、抛光、静置过程的工艺条件控制，在铝合金表面形成致密度达到95%以上、厚度在10‑50μm、表观无5μm以上缺陷的自钝化膜，从而起到防腐蚀作用。本发明可有效降低铝合金的腐蚀速率至50%以下，解决了铝合金材料及制件的防腐蚀问题。该方法不受场地、工艺条件限制，基本无境污染，适合工业应用。
Description
技术领域
本发明涉及材料工程技术领域，尤其是涉及一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法。
背景技术
铝合金因其较低的密度及较高的比强度、比刚度，在航空航天、高铁、汽车、船舶、海洋装备、建筑等领域有着广泛的应用。虽然铝合金的耐腐蚀性能优于钢铁，但由于使用过程中环境的复杂性，铝合金材料与制件也面临着使用中腐蚀的风险，常见的腐蚀类型包括点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等。腐蚀不仅易造成铝合金制品美观度下降，更会大幅降低铝合金材料与制件的结构强度，导致直接或间接的经济损失。
铝是一种比较活泼的金属，在自然条件下表面可以形成一层氧化膜，但是通常此种氧化膜较为疏松无法起到防护作用。目前，表面处理是最常用的铝合金防腐蚀技术之一，可以有效的提升铝合金材料及制件的耐腐蚀能力，延长使用寿命。常用的表面处理手段包括阳极氧化、微弧氧化、涂覆涂层等。阳极氧化和微弧氧化是通过电化学过程在铝合金表面形成一层致密的非晶态或晶态氧化铝膜。涂覆涂层则是在铝合金表面喷涂有机聚合物涂层。以上方法均不可避免的会造成一定程度的环境污染，且需要专用的设备、场地及一套严格控制的完整工艺流程来实现对铝合金材料及制件的表面处理，难以支持异形件、超大件或者野外现场作业。
发明内容
本发明的目的就是要解决上述表面处理方法的不足，提供了一种基于显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，通过一系列可控的工艺条件，在显微组织均匀细小且晶粒尺寸在100nm以下的铝合金表面形成致密氧化膜，从而起到防腐蚀作用。该方法可以手工或机械方式实施，可以在低温、室温或加热条件下完成，工艺过程简单且基本无污染，自钝化后铝合金制件尺寸变化在50μm以内，能够满足异形件、超大件或者野外现场作业的需要。
本发明的技术方案：所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，适用于显微组织均匀细小且晶粒尺寸在100nm以下的铝合金，具体步骤如下：
步骤一，对显微组织超细化的铝合金表面进行磨光处理，磨光后铝合金表面粗糙度Ra≤0.4μm；
步骤二，对显微组织超细化的铝合金表面进行抛光处理，抛光后铝合金表面粗糙度Ra≤0.1μm；
步骤三，对显微组织超细化的铝合金表面进行清洁，去除表面的污物及油脂；
步骤四，将显微组织超细化的铝合金在可控的温度（-40℃~200℃）、湿度（0-100%）条件下、空气环境中静置一定时间（48h~20min），形成致密度达到95%以上、厚度在10-50μm、表观无5μm以上缺陷的自钝化膜，表面硬度达到500HV以上。优选的，显微组织超细化的铝合金在特定的温度范围（80℃~200℃）、湿度范围（40-70%）及空气环境静置时间（2h~20min）条件下，形成致密度达到97-98%、厚度在40-50μm、表观无2μm以上缺陷的自钝化膜，表面硬度可达到650~800HV。
可选地，磨光和抛光处理过程可采用手工或机械方式实施。
可选地，静置成膜在可控的温度（-40℃~200℃）、湿度（0-100%）条件下、空气环境中进行。
可选地，所述的手工磨光过程依次用200#、400#、800#、1200#水砂纸打磨。
可选地，所述的手工抛光过程依次包括粗抛光和精抛光。粗抛光采用2000~5000#水砂纸中的一种或几种为工具，水为介质；精抛光采用呢绒布、无纺布或麂皮中的一种或几种为工具，选用粒径为500~1000nm的金刚石悬浮抛光剂为介质。
可选地，所述的机械磨光过程可借助磨床等设备实施。磨床装配K型或L型中软砂轮，磨料粒度40目~100目。磨头主轴转速1000~3600rpm，磨头最小进给量0.1μm~10μm。使用煤油或冷却液等为介质。
可选地，所述的机械抛光过程可借助抛光机或角磨机等设备实施。抛光机主轴转速1200~3000rpm，依次采用海绵盘、绒布盘或羊毛盘中的一种或几种为工具，选用粒径为500~1000nm的金刚石悬浮抛光剂为介质。角磨机空载转速6000~12000rpm，依次采用布质砂轮、麻轮或纯棉布轮中的一种或几种为工具，相应地配合黄、紫、白、绿色抛光膏为介质。
可选地，所述的清洁过程采用洗洁精水溶液、石油醚、丙酮、乙醇中的一种或几种为清洁剂。
可选地，所述的静置空气环境温度为-40℃~200℃、湿度为0-100%、静置时间为48h~20min。
可选地，可有效降低铝合金的腐蚀速率至50%以下。
附图说明
图1是本发明实施例1中R06#样品的金相照片。
注：为方便制样，在铝合金自钝化膜上层覆盖一定厚度的环氧树脂，待树脂固化后将样品截断，对横断面进行观察。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的内容。应当说明的是，具体实施实例并不用于限制本发明的范围，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明做出各种常规变换，但这些常规变换亦视为本发明的可实施范围，均在本发明要求的保护范围内。
实施例1：
显微组织晶粒~100nm的铝合金（R01#~R12#）和市售5083铝合金（M01#~M12#）分别加工为大小(30±0.1)×(30±0.1)×(3.0±0.05)mm的薄片。
依次用200#、400#、800#、1200#水砂纸加水对R01#~R06#、M01#~M06#铝合金薄片的最大面进行手工磨光，直至磨光面呈无肉眼可见加工痕迹。依次用2000#、3000#、5000#水砂纸加水对R04#~R06#、M04#~M06#铝合金薄片的最大面进行手工粗抛光；再用麂皮加500nm金刚石悬浮抛光剂对R04#~R06#、M04#~M06#铝合金薄片的最大面进行手工细抛光，直至抛光面呈镜面。依次以洗洁精水溶液、丙酮、乙醇超声清洗R01#~R06#、M01#~M06#铝合金薄片。
以装配K型60目砂轮的磨床对R07#~R12#、M07#~M12#铝合金薄片的最大面进行机械磨光，直至磨光面呈无肉眼可见加工痕迹。磨头主轴转速3000rpm，磨头最小进给量5μm，使用乙二醇型冷却液为介质。以角磨机安装羊毛轮配以白色抛光膏对R09#~R12#、M09#~M12#铝合金薄片的最大面进行机械抛光，直至抛光面呈镜面。角磨机空载转速为11000rpm。依次以石油醚、丙酮、乙醇超声清洗R07#~R12#、M07#~M12#铝合金薄片。
将以上R01#~R12#和M01#~M12#铝合金薄片分别置于室温干燥环境中24h、80℃鼓风干燥箱中2h、200℃鼓风干燥箱中20min。
按照《GB/T 4340.1-2009金属材料 维氏硬度试验 第1部分：试验方法》对R01#~R12#和M01#~M12#铝合金薄片样品进行表面硬度测试，结果如下表1所示。可以看出，经过良好磨光与抛光处理后，显微组织细化铝合金的表面硬度显著提高，而市售5083铝合金的表面硬度基本不变。这是由于显微组织细化铝合金经过抛光后在空气环境中即可形成致密的自钝化膜，而普通5083铝合金需要经过阳极氧化或微弧氧化处理才能形成致密氧化膜。
表1显微组织细化铝合金与市售5083铝合金在经过处理后的表面硬度
实施例2：
显微组织晶粒~100nm的铝合金，薄片状，大小为(101±0.1)×(28.2±0.05)×(5.0±0.05)mm，共8片，编号为A1#~A8#。
依次用200#、400#、800#、1200#水砂纸加水对A1#~A8#铝合金薄片的最大面进行手工磨光，直至磨光面呈无肉眼可见加工痕迹。依次用2000#、3000#、5000#水砂纸加水对A5#~A8#铝合金薄片的最大面进行手工粗抛光；再用麂皮加500nm金刚石悬浮抛光剂对A5#~A8#铝合金薄片的最大面进行手工细抛光，直至抛光面呈镜面。依次以洗洁精水溶液、丙酮、乙醇超声清洗A1#~A8#铝合金薄片。将A1#~A8#铝合金薄片置于室温干燥环境中24h。
按照《GB/T 10125-2012人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》对A1#~A8#铝合金薄片样品进行中性盐雾试验，试验周期144h。A1#~A4#铝合金薄片的平均腐蚀速率为0.0140g/m2h，A5#~A8#铝合金薄片的平均腐蚀速率为0.0069 g/m2h。可见抛光对显微组织细化铝合金的表面自钝化具有重要意义，可有效降低铝合金的腐蚀速率至50%以下。
实施例3：
显微组织晶粒~100nm的铝合金，薄片状，大小为(101±0.1)×(28.2±0.05)×(5.0±0.05)mm，共4片，编号为B1#~B4#。市售5083铝合金，薄片状，大小为(101±0.1)×(28.2±0.05)×(5.0±0.05)mm，共4片，编号为B5#~B8#。
以装配K型60目砂轮的磨床对B1#~B8#铝合金薄片的最大面进行机械磨光，直至磨光面呈无肉眼可见加工痕迹。磨头主轴转速3000rpm，磨头最小进给量5μm，使用乙二醇型冷却液为介质。以角磨机安装羊毛轮配以白色抛光膏对B1#~B8#铝合金薄片的最大面进行机械抛光，直至抛光面呈镜面。角磨机空载转速为11000rpm。依次以石油醚、丙酮、乙醇超声清洗B1#~B8#铝合金薄片。将B1#~B8#铝合金薄片置于200℃鼓风干燥箱中20min。
按照《GB/T 10125-2012人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》对B1#~B8#铝合金薄片样品进行中性盐雾试验，试验周期288h。B1#~B4#铝合金薄片的平均腐蚀速率为0.0052g/m2h，B5#~B8#铝合金薄片的平均腐蚀速率为0.0170g/m2h。可见只有显微组织细化的铝合金可以通过本发明所述方法形成致密钝化膜，从而达到防腐蚀的目的。
Claims (10)
1.一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，适用于显微组织均匀细小且晶粒尺寸在100nm以下的铝合金，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一，对显微组织超细化的铝合金表面进行磨光处理，磨光后铝合金表面粗糙度Ra≤0.4μm；
步骤二，对显微组织超细化的铝合金表面进行抛光处理，抛光后铝合金表面粗糙度Ra≤0.1μm；
步骤三，对显微组织超细化的铝合金表面进行清洁，去除表面的污物及油脂；
步骤四，将显微组织超细化的铝合金在可控的温度（-40℃~200℃）、湿度（0-100%）条件下、空气环境中静置一定时间（48h~20min），形成致密度达到95%以上、厚度在10-50μm、表观无5μm以上缺陷的自钝化膜，表面硬度达到500HV以上；
优选的，显微组织超细化的铝合金在特定的温度范围（80℃~200℃）、湿度范围（40-70%）及空气环境静置时间（2h~20min）条件下，形成致密度达到97-98%、厚度在40-50μm、表观无2μm以上缺陷的自钝化膜，表面硬度可达到650~800HV。
2.根据权利要求1所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，磨光和抛光处理过程可采用手工或机械方式实施。
3.根据权利要求1所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，静置成膜在可控的温度（-40℃~200℃）、湿度（0-100%）条件下、空气环境中进行。
4.根据权利要求1和2所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的手工磨光过程依次用200#、400#、800#、1200#水砂纸打磨，水为介质。
5.根据权利要求1和2所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的手工抛光过程依次包括粗抛光和精抛光；粗抛光采用2000~5000#水砂纸中的一种或几种为工具，水为介质；精抛光采用呢绒布、无纺布或麂皮中的一种或几种为工具，选用粒径为500~1000nm的金刚石悬浮抛光剂为介质。
6.根据权利要求1和2所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的机械磨光过程可借助磨床等设备实施；磨床装配K型或L型中软砂轮，磨料粒度40目~100目；磨头主轴转速1000~3600rpm，磨头最小进给量0.1μm~10μm；使用煤油或冷却液等为介质。
7.根据权利要求1和2所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的机械抛光过程可借助抛光机或角磨机等设备实施，抛光机主轴转速1200~3000rpm，依次采用海绵盘、绒布盘或羊毛盘中的一种或几种为工具，选用粒径为500~1000nm的金刚石悬浮抛光剂为介质；角磨机空载转速6000~12000rpm，依次采用布质砂轮、麻轮、纯棉布轮或羊毛轮中的一种或几种为工具，相应地配合黄、紫、白、绿色抛光膏为介质。
8.根据权利要求1所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的清洁过程采用洗洁精水溶液、石油醚、丙酮、乙醇中的一种或几种为清洁剂。
9.根据权利要求1和3所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，所述的静置空气环境温度为-40℃~200℃、湿度为0-100%、静置时间为48h~20min。
10.根据权利要求1所述的一种显微组织超细化的铝合金的防腐蚀方法，其特征在于，可有效降低铝合金的腐蚀速率至50%以下。
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| 刘聪等: "5A02铝合金表面微纳结构的制备及防腐行为研究", 《稀有金属材料与工程》 * |
| 杨建海等: "2A14铝合金混合表面纳米化对电化学腐蚀行为的影响", 《金属学报》 * |
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