CN116162873B - 一种2024铝合金及其表面处理方法 - Google Patents

一种2024铝合金及其表面处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属材料表面处理技术领域，涉及一种2024铝合金及其表面处理方法，采用两种不同粒径的弹丸组成的混合弹丸对铝合金表面进行超声喷丸处理，相比于常规的喷丸方法，可以在更短的时间内达到更好的表面处理效果，喷丸后的试样再进行热处理，即去应力退火后，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均有明显提高，便于实现2024铝合金的大规模应用。

Description

一种2024铝合金及其表面处理方法
技术领域
本发明涉及金属材料表面处理技术领域，具体为一种2024铝合金及其表面处理方法。
背景技术
2024铝合金属于可热处理强化的硬铝合金，具有高强度、低比重、较好的耐热性及疲劳强度等优点，是一种综合性能优良的、典型的高强度结构铝合金，在航空、航天领域，如飞机骨架、肋梁、隔框、螺旋桨元件及航天卫星等航天器，和一些商业民用产品，如铆钉、卡车轮毂等中都有十分广泛的应用。
截至目前，喷丸强化作为一种有效的手段，多用来提高材料的疲劳强度等性能。但是经过现有喷丸处理后的铝合金仍然存在表面粗糙度、强度、延伸率不满足要求，生产效率低等缺陷，难以满足某些特殊行业的对2024铝合金部件的性能需求。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种2024铝合金及其表面处理方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种2024铝合金的表面处理方法，包括如下步骤：
S1.将2024铝合金厚板沿轧制方向制备成拉伸试样；
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为3~5mm的大弹丸和1~2mm的小弹丸的混合弹丸；
S3.将喷丸后的试样进行抛光、清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至60~80℃，保温震荡20~30min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至80~120℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。
作为本发明所述的一种2024铝合金的表面处理方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，将拉伸试样采用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗。
作为本发明所述的一种2024铝合金的表面处理方法的优选方案，其中：所述步骤S1中，所述2024铝合金化学成分的质量百分含量为：Cu 4.59、Mg 1.44、Mn 0.76、Si 0.11、Fe 0.22、Zn 0.013、Ti 0.044、余量为Al。
作为本发明所述的一种2024铝合金的表面处理方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，超声喷丸装置的振动频率为20~30Hz，振幅为15~20μm，喷丸时间为90~300s，喷丸距离为15~20mm。
作为本发明所述的一种2024铝合金的表面处理方法的优选方案，其中：所述步骤S2中，弹丸为碳钢弹丸。
作为本发明所述的一种2024铝合金的表面处理方法的优选方案，其中：所述步骤S3中，将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗。
为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种2024铝合金，采用上述表面处理方法制备得到。
作为本发明所述的一种2024铝合金的优选方案，其中：所述2024铝合金的表面粗糙度≤2μm，屈服强度≥410MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥25%。
本发明的有益效果如下：
本发明提出一种2024铝合金及其表面处理方法，采用两种不同粒径的弹丸组成的混合弹丸对铝合金表面进行超声喷丸处理，相比于常规的喷丸方法，可以在更短的时间内达到更好的表面处理效果，喷丸后的试样再进行热处理，即去应力退火后，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均有明显提高，便于实现2024铝合金的大规模应用。
具体实施方式
下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的主要目的是提出一种2024铝合金及其表面处理方法，针对经过现有喷丸处理后的铝合金仍然存在表面粗糙度、强度、延伸率不满足要求，生产效率低等缺陷，难以满足某些特殊行业的对2024铝合金部件的性能需求的问题，创造性的提出采用两种不同粒径的弹丸组成的混合弹丸对铝合金表面进行超声喷丸处理，不仅可以解决为了提高效率采用大尺寸弹丸进行处理带来的表面质量不佳的缺陷，也可以解决为了改善表面质量采用小尺寸弹丸进行处理带来的处理效率不高的问题，也避免了先采用大尺寸弹丸进行处理再采用小尺寸弹丸进行处理工艺繁琐的问题，相比于常规的喷丸方法，本发明还通过控制超声喷丸工艺参数（如振动频率，振幅，喷丸距离等），可以在更短的时间内达到更好的表面处理效果，喷丸后的试样再进行热处理，即去应力退火后，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均有明显提高。
根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种2024铝合金的表面处理方法，包括如下步骤：
S1.将2024铝合金厚板沿轧制方向制备成拉伸试样；
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为3~5mm的大弹丸和1~2mm的小弹丸的混合弹丸；具体的，所述大弹丸的尺寸可以为例如但不限于3mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm、4mm、4.3mm、4.5mm、4.7mm、5mm中的任意一者或任意两者之间的范围；所述小弹丸的尺寸可以为例如但不限于1mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2mm中的任意一者或任意两者之间的范围；
S3.将喷丸后的试样进行抛光、清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至60~80℃，保温震荡20~30min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；具体的，加热温度可以为例如但不限于60℃、65℃、70℃、75℃、80℃中的任意一者或任意两者之间的范围；震荡时间可以为例如但不限于20min、25min、30min中的任意一者或任意两者之间的范围；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至80~120℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。具体的，加热温度可以为例如但不限于80℃、90℃、100℃、110℃、120℃中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，本发明在步骤S2之后，如果超声喷丸处理的铝合金表面处理效果不能达到要求，还可以进行步骤S21，继续将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为2~2.5mm的弹丸（具体的，弹丸的尺寸可以为例如但不限于2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm中的任意一者或任意两者之间的范围）和0.5~1.0mm的弹丸（具体的，弹丸的尺寸可以为例如但不限于0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm中的任意一者或任意两者之间的范围）的混合弹丸，振动频率、振幅、喷丸距离与步骤S2保持一致，喷丸时间为20~50s。具体的，喷丸时间可以为例如但不限于20s、25s、30s、35s、40s、45s、50s中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S1中，将拉伸试样采用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗；所述2024铝合金化学成分的质量百分含量为：Cu 4.59、Mg 1.44、Mn 0.76、Si 0.11、Fe 0.22、Zn 0.013、Ti 0.044、余量为Al。
优选的，所述步骤S2中，超声喷丸装置的振动频率为20~30Hz，振幅为15~20μm，喷丸时间为90~300s，喷丸距离为15~20mm。具体的，振动频率可以为例如但不限于20Hz、21Hz、22Hz、23Hz、24Hz、25Hz、26Hz、27Hz、28Hz、29Hz、30Hz中的任意一者或任意两者之间的范围；
优选的，所述步骤S2中，弹丸为碳钢弹丸。
优选的，所述步骤S3中，将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗。
根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
一种2024铝合金，采用上述表面处理方法制备得到。
作为本发明所述的一种2024铝合金的优选方案，其中：所述2024铝合金的表面粗糙度≤2μm，屈服强度≥410MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥25%。
以下结合具体实施例对本发明技术方案进行进一步说明。
各实施例采用的2024铝合金的化学成分的质量百分含量为：Cu 4.59、Mg 1.44、Mn0.76、Si 0.11、Fe 0.22、Zn 0.013、Ti 0.044、余量为Al。
实施例1
本实施例提供一种2024铝合金的表面处理方法，包括如下步骤：
S1.将2024铝合金厚板沿轧制方向制备成拉伸试样，将拉伸试样采用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗；
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和1mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm；
S3.将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至60℃，保温震荡30min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至100℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为4mm的大碳钢弹丸和2mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为30Hz，振幅为15μm，喷丸时间为300s，喷丸距离为20mm；
S3.将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至80℃，保温震荡20min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至120℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为4.5mm的大碳钢弹丸和1.2mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为25Hz，振幅为15μm，喷丸时间为90s，喷丸距离为20mm；
S3.将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至75℃，保温震荡25min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至80℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。
实施例4
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和2mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm；
S21.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为2.5mm的碳钢弹丸和0.8mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为20s，喷丸距离为15mm。
对比例1
一种2024铝合金的表面处理方法，包括如下步骤：
S1.将2024铝合金厚板沿轧制方向制备成拉伸试样，试验前将试样采用碳化硅砂纸研磨、抛光,并用酒精清洗。
S2.将制备的拉伸试样放在喷丸装置的夹具上进行喷丸处理，喷丸参数如下：喷丸角度：90°，双面单个喷嘴对喷；流量：10kg/min；喷丸距离：500mm；移动速率：3.0m/min；喷射压力为0.5MPa；弹丸为碳钢弹丸，其粒径为3.18mm，喷丸时间为30min。
S3.将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光,并用酒精清洗，然后将试样放入碳酸钠熔液中，加热至60℃，保温震荡30min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重。
S4.将清洗试样放入电阻炉中加热至100℃，保温2小时后空冷。
对比例2
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm。
对比例3
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为1mm的小碳钢弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm。
对比例4
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和3mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm。
对比例5
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和1mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为30mm。
对比例6
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和1mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为15Hz，振幅为20μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm。
对比例7
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和1mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为10μm，喷丸时间为200s，喷丸距离为15mm。
对比例8
与实施例1的不同之处在于，
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为5mm的大碳钢弹丸和1mm的小碳钢弹丸的混合弹丸，超声喷丸装置的振动频率为20Hz，振幅为15μm，喷丸时间为60s，喷丸距离为15mm。
对比例9
与实施例1的不同之处在于，
不进行步骤S4。
各实施例和对比例处理后的铝合金的性能测试结果如表1所示，处理后的铝合金试样在Instron1195电子拉伸试验机上进行拉伸试验，拉伸速率为1.0mm/min，试验温度为室温，采用表面粗糙度检查仪在处理后的铝合金试样上选择3个不同位置进行测量，取平均值。
表1 处理后的铝合金的性能测试结果
Figure SMS_1
由本发明各实施例和对比例可以看出，本发明采用两种不同粒径的弹丸组成的混合弹丸对铝合金表面进行超声喷丸处理，相比于常规的喷丸方法（例如对比例1-3），本发明还通过控制超声喷丸工艺参数（如振动频率，振幅，喷丸距离等），可以在更短的时间内达到更好的表面处理效果，喷丸后的试样再进行热处理，即去应力退火后，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均有明显提高，便于实现2024铝合金的大规模应用。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种2024铝合金的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将2024铝合金厚板沿轧制方向制备成拉伸试样；
S2.将拉伸试样采用超声喷丸装置进行超声喷丸处理，喷丸采用的弹丸为3~5mm的大弹丸和1~2mm的小弹丸的混合弹丸；超声喷丸装置的振动频率为20~30Hz，振幅为15~20μm；喷丸时间为90~300s；喷丸距离为15~20mm；
S3.将喷丸后的试样进行抛光、清洗，然后将试样放入碳酸钠溶液中，加热至60~80℃，保温震荡20~30min，然后过滤、洗涤、烘干至恒重；
S4.将烘干后的试样放入电阻炉中加热至80~120℃，保温2h后空冷，得到喷丸热处理铝合金。
2.根据权利要求1所述的2024铝合金的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，将拉伸试样采用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗。
3.根据权利要求1所述的2024铝合金的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述2024铝合金化学成分的质量百分含量为：Cu 4.59、Mg 1.44、Mn 0.76、Si 0.11、Fe 0.22、Zn 0.013、Ti 0.044、余量为Al。
4.根据权利要求1所述的2024铝合金的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S2中，弹丸为碳钢弹丸。
5.根据权利要求1所述的2024铝合金的表面处理方法，其特征在于，所述步骤S3中，将喷丸后的试样先用碳化硅砂纸研磨、抛光，并用酒精清洗。
6.一种2024铝合金，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的2024铝合金的表面处理方法制备得到。
7.根据权利要求6所述的2024铝合金，其特征在于，2024铝合金的表面粗糙度≤2μm，屈服强度≥410MPa，抗拉强度≥500MPa，延伸率≥25%。
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