CN114669813A - 一种铝合金电解化铣方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金电解化铣方法，将经过表面预处理后的铝合金作为正极，惰性合金作为负极，以包含苛性碱、硫化钠、TEA和铝盐的溶液作为电解化铣液，进行电解化铣一体化处理。该方法利用电解和化铣一体化协同作用，快速、准确的达到工件所需尺寸。该方法不仅可以有效地降低2024‑T3铝合金在经过化铣后粗糙度较高的问题，还可以降低化铣温度，减小化铣液的碱浓度，反应产生的气体从惰性合金表面溢出，降低成本，提高生产效率，减少环境污染，且通过该方法处理过的铝合金材料表面质量高，尺寸精度好，满足飞机蒙皮对材料的质量要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝合金加工方法，具体涉及一种铝合金电解化铣方法，属于铝合金表面处理技术领域。
背景技术
化学铣切是一种特种加工工艺，它是通过将金属材料需要加工的部位暴露于化学腐蚀液(铝合金常用的腐蚀液为强碱性溶液)中进行化学铣切，从而得到一种尺寸精度较高的加工方法。薄板2024-T3铝合金是飞机蒙皮中常用的合金材料，而化铣已经成为加工飞机蒙皮常用的可靠方法。但是传统的化铣工艺对零件尺寸及表面粗糙度改变较大，而表面粗糙度对合金材料的疲劳性能也有较大的影响。此外，在化铣过程中2024铝合金和NaOH反应是放热反应，生成偏铝酸钠，并放出H2，主要反应过程如下2NaOH+2Al+2H2O＝2NaA1O2+3H2↑。在反应过程中，随着化铣液中NaAlO2，的逐渐增多，达到饱和后，平衡状态时发生水解反应：NaA1O2会发生水解反应生成A1(OH)3和NaOH。可以看出:NaOH、NaAlO2的浓度是影响化铣速度的主要因素。随着化铣反应的进行，在化铣液中的NaOH浓度达到一定值后，再继续增加会使化铣液的密度升高，不利于腐蚀产物在化铣液中扩散，2024铝合金在化铣溶液中的化学或电化学过程受阻，反而会导致化铣速率下降。随着化铣的进行，化铣液中铝离子浓度增加，再增加NaAlO2浓度会阻止铝合金的腐蚀溶解反应；化铣液均匀性变差也会使化铣深度不均匀，产生的化铣粗糙度较高。因此传统的化铣工艺很难达到应用需求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的旨在提供一种铝合金电解化铣方法，该方法采用特殊的化铣液同时可以作为电解液，从而同时进行电解过程和化铣过程，有效解决了铝合金化铣速率不易控制，表面粗糙度高等问题，相对普通的化铣过程，具有处理温度低，碱浓度低，简单易行，成本低廉等优点。
为实现上述技术目的，本发明提供了一种铝合金电解化铣方法，以表面预处理后铝合金作为正极，以惰性合金作为负极，以包含苛性碱、硫化钠、TEA和铝盐的溶液作为电解化铣液，进行电解化铣处理；将电解化铣处理后的铝合金依次经过碱洗、出光处理、干燥和涂胶。
本发明采用电解化铣一体化处理过程，将电解过程和化铣过程有机的结合起来，在进行化学铣切的过程中同时进行电解腐蚀，利用二者的协同作用，通过电解腐蚀原位修复化学铣切过程中凸起相，从而大幅提高铝合金表面的精度。
作为一项优选的方案，所述铝合金为飞机蒙皮用的2系铝合金。进一步优选的2系铝合金为2024-T3铝合金。
作为一项优选的方案，所述表面预处理包括碱洗和光化处理。
作为一项优选的方案，所述碱洗处理的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，碱洗时间为3～5min，碱洗溶液选用质量分数为30％～50％的苛性碱。碱洗的目的是将铝合金表面的油污、氧化层及缺陷碱洗掉，碱洗处理时要避免工件的相互接触，防止接触面产生气囊，影响材料表面精度。进一步优选40％的苛性碱。
作为一项优选的方案，所述光化处理的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，光化时间为1～3min，处理液为质量分数为30％～50％的盐酸和/或硝酸。光化处理的目的是将铝合金表面残留掉的碱性溶液及产生的盐溶解掉，有助于下一步电解化铣反应。
作为一项进一步优选的方案，所述光化处理液为质量分数30％的硝酸。
作为一项优选的方案，所述惰性合金包括Fe、Cu、Ag、W、Cr、Mn和Ti中的至少两种。进一步优选为不锈钢。
作为一项优选的方案，所述电解化铣处理过程中采用直流电源，电压为15～30V。
作为一项优选的方案，所述电解化铣液中苛性碱的浓度为70～130g/L，硫化钠的浓度为9～20g/L，TEA的浓度为30～50g/L，铝盐浓度以Al3+质量计量，为9～20g/L。针对本发明所提供的电解化铣一体化过程，本发明采用碱浓度较低的化铣液，碱浓度过高容易造成化铣程度难以控制，易造成过度化铣，且产生的过量气体，也会影响产品表面精度。此外，在电解反应过程中所产生的气体从惰性电极端排放出来，铝合金化铣表面不会受到任何影响，这样可以保证化铣过程中产生的热量能及时被气体携带出。
作为一项优选的方案，所述电解化铣过程中，电解化铣液的温度为15～30℃，搅拌速率为100～160rpm。电解化铣的时间要根据铝合金的加工尺寸来确定，并且要注意的是在电解过程过程中要保持工件中电流均匀分布，否则会由于工件电流密度不同而产生电位差，进而影响电解位点，降低工件表面质量。
作为一项优选的方案，所述冲洗过程为热冲洗，冲洗液为乙醇、丙酮和纯水中的至少一种，温度为40～60℃。
作为一项优选的方案，所述出光处理的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，时间为1～3min，处理液为质量分数为30％～50％盐酸和/或硝酸。出光处理的主要作用为溶解掉电解化铣过程中残留的碱。
本发明技术方案的主要原理为：在铝合金材料(尤其是2系铝合金材料)中，Cu的含量较高，此外，还含有Mg、Mn等合金元素，在化铣过程中，通常采用碱性化铣液，而Al是一种典型的两性金属，可以跟碱发生反应，而Cu、Mg等金属的活性低于Al，电极电位比Al基体高，在发生化学反应时，首先是铝基体发生反应，而归属于S相和T相中的金属杂质则不会发生反应，从而产生凸出，造成化铣件表面粗糙度较高，此外，由于在化铣过程中有大量H2产生不能及时排出，并且铝合金和NaOH发生放热反应会促进化铣速率，从而造成无法精确控制化铣尺寸。本发明采用电解化铣一体化过程，以化铣液为电解液，铝合金样品为正极，电解反应所产生的气体从惰性电极端排出不会影响铝合金表面质量，在化铣过程中凸出的金属杂质由于局部电势高而被优先电解，减少材料表面的凸起部分，极大的提高材料表面精度。此外，利用电解与化铣的协同作用通过材料表面的电势差进行分解剥离，因此无需采用高碱性化铣液，也无需对化铣液也进行加热，使得反应可以在常温下进行，极大降低成产成本。
相对于现有技术，本发明技术方案带来的有益效果如下：
1)本发明提供的技术方案利用电解化铣的协同性，大幅降低了化铣液碱性，在化铣过程中也无需加热，提高了化铣过程中的安全性，有效降低化铣液由于温度过高挥发造成的环境污染。
2)本发明所提供的铝合金电解化铣处理方法简单易行，简化生产流程，化铣液可反复使用，极大降低生产成本的同时还降低了废液的排放，对环境友好。
3)本发明提供的技术方案可制备出表面质量高、尺寸精度号的铝合金材料，表面粗糙度可控制在0.92μm以内，远低于行业要求标准，满足飞机蒙皮的应用需求。
附图说明
图1中a为对比例中1.2mm厚2024-T3铝合金统化铣工艺表面金相图(OM)，b为实施例1中1.2mm厚2024-T3铝合金的电解化铣工艺表面金相图(OM)；从图中可以明显看出两种化铣制度的合金表面金相的差别；a图中传统工艺化铣的合金表面中对比度差别比较明显，这是由于第二相的存在所引起的凹凸不平，而b图中电解化铣的合金表面对比度不明显，说明表面比较平整。
图2中a为对比例中1.2mm厚2024-T3铝合金的统化铣工艺的表面微观组织图，b为实施例1中1.2mm厚2024-T3铝合金的电解化铣工艺的表面微观组织图；从图中可以看出两种工艺制度化铣的组织差别也比较明显；a图中传统工艺化铣后有粗大凸出的T相和化铣第二相脱落所产生的凹陷坑，而b图中电解化铣制度，化铣后所残留第二相颗粒及腐蚀坑较小，化铣后表面更加平整。
图3中a为对比例中1.2mm厚2024-T3铝合金传统化铣工艺的表面景深三维图，b为实施1中1.2mm厚2024-T3铝合金电解化铣工艺的表面景深三维图；从图中可以更加直观的看出：传统工艺化铣合金表面粗糙度要明显高于电解化铣。
图4为铝合金电解化铣工艺流程简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
本发明所用2024-T3铝合金由西南铝业集团有限公司提供，其具体成分如表1。
表1 本发明所用2024-T3铝合金成分
实施例1
第一步，选取0.8mm厚2024-T3铝合金使用线切割成40mm×40mm×0.6mm的小试样准备3块；
第二步，碱洗及光化处理，将2024合金固定在挂具上，碱洗溶液选择40％NaOH碱性时间5min，碱洗温度室温即可，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第三步，光化处理，光化溶液选用30％HNO3溶液，溶液温度室温，腐蚀时间2min，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第四步，流动冷水冲洗1min；
第五步，干燥，用60℃热风吹干。
化铣：
第一步，涂保护层，保护胶的选择根据国家标准，对工件既不能产生有害的影响，而且可以其保护作用使之不受腐蚀剂侵蚀，本实验采用HH968-2可剥涂料；
第二步，固化，将涂抹保护胶的合金板，室温放置24小时待其完全固化；
第三步，刻形，将工件放在固定架进行刻行，一定要注意用手术刀时，用力适当均匀，达到将保护层完全切断，又不刻伤基体金属；
第四步，电解化铣加工，在腐蚀过程中需要用玻璃棒不停的搅拌防止局部温度过高，化铣速率不均，化铣溶液搅拌速度为120rpm左右。
正极接2024工件，负极接不锈钢电极，本实验电解化铣液配方为：100g/L NaOH,19g/L Na2S，45g/L TEA和19g/L Al3+，电源电压27V，电解时间为2min(注意在电解过程中一定要保持工件中电流均匀分布，否则会影响工件表面质量)，电解化铣温度为25℃。
化铣后处理：
第一步，将化铣工件放在40℃的热水冲洗2min；
第二步，在冷水冲洗1min；
第三步，出光处理，选用30％的HNO3溶液浸泡2min，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第三步，将工件取出来用流动冷水冲洗1min；
第四步，热风吹干，取下涂胶层，便于后面检测。
实施例2
第一步，选取1.2mm厚2024-T3铝合金使用线切割成40mm×40mm×1.2mm的小试样准备3块；
第二步，碱洗及光化处理，将2024合金固定在挂具上，碱洗溶液选择40％NaOH碱性时间5min，碱洗温度室温即可，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第三步，光化处理，光化溶液选用30％HNO3溶液，溶液温度室温，腐蚀时间2min，溶液搅拌速度为120rpm左右注意在腐蚀时候应尽量避免工件之间相互接触而产生气囊，最终导致腐蚀不均匀；
第四步，流动冷水冲洗1min；
第五步，干燥，用60℃热风吹干。
化铣：
第一步，涂保护层，保护胶的选择根据国家标准，对工件既不能产生有害的影响，而且可以其保护作用使之不受腐蚀剂侵蚀，本实验采用HH968-2可剥涂料；
第二步，固化，将涂抹保护胶的合金板，室温放置24小时待其完全固化；
第三步，刻形，将工件放在固定架进行刻行，一定要注意用手术刀时，用力适当均匀，达到将保护层完全切断，又不刻伤基体金属；
第四步，电解化铣加工，在腐蚀过程中需要用玻璃棒不停的搅拌防止局部温度过高，化铣速率不均，化铣溶液搅拌速度为120rpm左右。
正极接2024工件，负极接不锈钢电极，本实验电解化铣液配方为：100g/L NaOH,19g/L Na2S，45g/L TEA和19g/L Al3+，电源电压27V，电解时间为2min(注意在电解过程中一定要保持工件中电流均匀分布，否则会影响工件表面质量)，电解化铣温度为25℃。
化铣后处理：
第一步将化铣工件放在50℃的热水冲洗2min；
第二步在冷水冲洗1min；
第三步，出光处理，选用30％的HNO3溶液浸泡2min；
第三步，将工件取出来用流动冷水冲洗1min；
第四步，热风吹干，取下涂胶层，便于后面检测。
实施例3
第一步，选取1.8mm厚2024-T3铝合金使用线切割成40mm×40mm×1.8mm的小试样准备3块；
第二步，碱洗及光化处理，将2024合金固定在挂具上，碱洗溶液选择40％NaOH碱性时间5min，碱洗温度室温即可，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第三步，光化处理，光化溶液选用30％HNO3溶液，溶液温度室温，腐蚀时间2min，溶液搅拌速度为120rpm左右，注意在腐蚀时候应尽量避免工件之间相互接触而产生气囊，最终导致腐蚀不均匀；
第四步，流动冷水冲洗1min；
第五步，干燥，用60℃热风吹干。
化铣：
第一步，涂保护层，保护胶的选择根据国家标准，对工件既不能产生有害的影响，而且可以其保护作用使之不受腐蚀剂侵蚀，本实验采用HH968-2可剥涂料；
第二步，固化，将涂抹保护胶的合金板，室温放置24小时待其完全固化；
第三步，刻形，将工件放在固定架进行刻行，一定要注意用手术刀时，用力适当均匀，达到将保护层完全切断，又不刻伤基体金属；
第四步，电解化铣加工，在腐蚀过程中需要用玻璃棒不停的搅拌防止局部温度过高，化铣速率不均，化铣溶液搅拌速度为120rpm左右。
正极接2024工件，负极接不锈钢电极，本实验电解化铣液配方为：100g/L NaOH,19g/L Na2S，45g/L TEA和19g/L Al3+，电源电压27V，电解时间为2min(注意在电解过程中一定要保持工件中电流均匀分布，否则会影响工件表面质量)，电解化铣温度为25℃。
化铣后处理：
第一步将化铣工件放在60℃的热水冲洗2min；
第二步在冷水冲洗1min；
第三步，出光处理，选用30％的HNO3溶液浸泡2min，溶液搅拌速度为120rpm左右；
第三步，将工件取出来用流动冷水冲洗1min；
第四步，热风吹干，取下涂胶层，便于后面检测。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心情况下，任何简单的变形、修改或者其它本领域技术人员能够联想到的等同替换均落入本发明的保护范围。
对比例
前处理：
将1.2mm厚的2024-T3铝合金板使用线切割成40mm×40mm×1.2mm的小试样准备3块；将铝合金板表面的缺陷及油污用砂纸打磨干净，然后用丙酮在超声波清洗干净；光化处理，将2024合金固定在挂具上，放入质量分数40％NaOH浸泡5min，光化溶液选用30％HNO3溶液，溶液温度室温，腐蚀时间2min，注意在腐蚀时候应尽量避免工件之间相互接触而产生气囊，最终导致腐蚀不均匀；流动冷水冲洗1min；干燥，用60℃热风吹干。
化铣：
涂保护层，保护胶的选择根据国家标准，对工件既不能产生有害的影响，而且可以其保护作用使之不受腐蚀剂侵蚀，本实验采用HH968-2可剥涂料；固化，将涂抹保护胶的合金板，室温放置24小时待其完全固化；刻形，将工件放在固定架进行刻行，一定要注意用手术刀时，用力适当均匀，达到将保护层完全切断，又不刻伤基体金属；腐蚀加工，在腐蚀过程中需要用玻璃棒不停的搅拌防止局部温度过高，化铣速率不均。化铣温度为80℃，加工过程中全程温度浮动不超过±5℃，腐蚀时间根据需要切削厚度，本实验设置为5min。化铣液的配方为170g/L NaOH,19g/L Na2S，45g/L TEA和19g/L Al3+；
化铣后处理：
将化铣工件放在40℃的热水冲洗2min；冷水冲洗1min；出光处理，选用30％的HNO3溶液浸泡2min；将工件取出来用流动冷水冲洗1min；采取热风吹干取下涂胶层，便于后面的检测；
表2 不同工艺化铣2024-T3态铝合金表面粗糙度
| 2024-T3化铣板厚度(mm) | 1.2(对比例) | 0.6(实施例1) | 1.2(实施例2) | 1.8(实施例3) |
| 粗糙度RD(μm) | 1.0785 | 0.7965 | 0.8285 | 0.8313 |
| 粗糙度TD(μm) | 1.2205 | 0.8623 | 0.9105 | 0.9025 |
Claims (10)
1.一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：以表面预处理后铝合金作为正极，以惰性合金作为负极，以包含苛性碱、硫化钠、TEA和铝盐的溶液作为电解化铣液，进行电解化铣处理；将电解化铣处理后的铝合金依次经过冲洗、出光处理、干燥和涂胶。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述铝合金为飞机蒙皮用的2系铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述表面预处理包括碱洗和光化处理。
4.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述碱洗的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，碱洗时间为3～5min，碱洗溶液选用质量分数为30％～50％的苛性碱；所述光化处理的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，光化时间为1～3min，处理液为质量分数为30％～50％的盐酸和/或硝酸。
5.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述惰性合金包括Fe、Cu、Ag、W、Cr、Mn和Ti中的至少两种。
6.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述电解化铣处理过程中采用直流电源，电压为15～30V。
7.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述电解化铣液中苛性碱的浓度为70～130g/L，硫化钠的浓度为9～20g/L，TEA的浓度为30～50g/L，铝盐浓度以Al3+质量计量，为9～20g/L。
8.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述电解化铣过程中，电解化铣液的温度为15～30℃，搅拌速率为100～160rpm。
9.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述冲洗过程为热冲洗，冲洗液为乙醇、丙酮和纯水中的至少一种，温度为40～60℃。
10.根据权利要求1所述的一种铝合金电解化铣方法，其特征在于：所述出光处理的条件为：温度为15～35℃，搅拌速率为80～120rpm，时间为1～3min，处理液为质量分数为30％～50％盐酸和/或硝酸。
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