DE2244015C3

DE2244015C3 - Verfahren zur Erzielung glatter Oberflächen von Schmiedewerkstücken aus einer kupferhaltigen Aluminium-Legierung

Info

Publication number: DE2244015C3
Application number: DE19722244015
Authority: DE
Inventors: Christopher John Nottingham Kay
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1971-09-21
Filing date: 1972-09-07
Publication date: 1982-01-07
Also published as: JPS4838844A; JPS5421823B2; DE2244015B2; FR2153292B1; IT967462B; FR2153292A1; GB1371035A; DE2244015A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung glatter Oberflächen von Schmiedewerkstükken aus einer kupferhaltigen Aluminiumlegierung unter Säurebehandlung von Spülungen.

Ein Ätzen von aus Aluminiumlegierungen bestehenden Werkstücken zum Zwecke der Oberflächenabtragung ist deshalb schwierig, weil die Aluminiumlegierung auf ihrer Oberfläche eine schwer angreifbare Schutzschicht aus Aluminiumoxid bildet. Zum Ätzen von Werkstücken aus Aluminiumlegierungen werden üblicherweise alkalische Ätzlösungen benutzt, die auf freien Metallhydroxiden basieren. Wenn jedoch die Aluminiumlegierungen zum Beispiel Kupfer oder Zink enthalten, ergibt sich eine ungleichmäßige Oberfläche mit hervorstehenden Buckeln, die einerseits eine unerwünscht rauhe Oberfläche ergeben und andererseits zwischen den Erhebungen geschwächte Querschnitte ergeben können, die die Festigkeitseigenschaften beeinträchtigen.

Man hat versucht, durch Hinzufügen verschiedener Schwefelverbindungen beispielsweise von Polysulfiden und Thioharnstoff zur Ätzlösung eine glatte Oberfläche zu erhalten, jedoch sind diese Zusätze bisher nur in Verbindung mit alkalischen Ätzlösungen benutzt worden, die nur relativ langsam an der Oberfläche angreifen und daher für Tiefer.ätzungen zur Formgebung von Werkstücken ungeeignet sind.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung, das in der DE-OS 19 15 405 beschrieben ist, erfolgt die Säurebehandlung durch eine Salzsäure, Fluorwasserstoffsäure und Kupfersulfat enthaltende Lösung. Der Zusatz von Kupfersulfat zu der Ätzlösung soll dabei eine Verminderung der Rauheit der Oberfläche herbeiführen, da es sich gezeigt hat daß die aus der Aluminiumlegierung bestehenden Gußstücke nach Behandlung mit einer die Säuren allein enthaltenden Lösung sehr rauh sind, wobei der kristallinische Aufbau des Werkstoffs hervortritt. Durch den Zusatz von Knpfcrsulfat soll ein Niederschlag von Kupfer auf dem Gußstück erfolgen, weil Kupfer edler ist als Aluminium, während das Aluminium in Lösung geht. Durch dieses einstufige Verfahren soll eine Rauheit erzielt werden, die der Ausgangsraulieit der Oberfläche

entspricht

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung derart zu verbessern, daß bei gleichmäßiger und schneller Abtragung der Oberfläche nach Erreichen der jeweils gewünschten Ätztiefe eine glatte im wesentlichen kupferfreie Oberfläche erzeugt wird, deren Rauheit geringer ist als die des Ausgangswerkstücks.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe durch das im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebene Dreistufenverfahren.

Durch die erste Bearbeitungsstufe wird ein schnelles und im wesentlichen gleichmäßiges Abtragen der Werkstückoberfläche gewährleistet. Die dafür benutzte wäßrige Ätzlösung ist aus der DE-OS 20 50 499 bekannt. Bei dem in dieser Offenlegungsschrift beschriebenen Verfahren wird diese Ätzlösung benutzt, uin Druckplatten, insbesondere Halbtonplatten, Namensschilder, Schablonen oder dergleichen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen im Photogravierverfahren herzustellen, durch das die nicht zu ätzende Oberfläche mit einer Schutzabdeckung versehen wird. Bei diesen Ätzverfahren wird ein differentielles Anätzen der Oberfläche mit einer geringen Tiefe angestrebt, um entweder direkt oder nach einem Abdruck eine optische Unterscheidung gegenüber der nicht geätzten Oberfläche zu erreichen. Die Rauhigkeit der geätzten Fläche ist dabei im allgemeinen geringer als die Rauhigkeit der nicht behandelten Oberfläche. Zur Werkstückformgebung und Oberflächenglättung ist dieses bekannte Verfahren jedoch genausowenig geeignet wie das in der GB-PS 12 23 310 beschriebene Verfahren, welches unter Anwendung ähnlicher Ätzlösungen die Herstellung von Halbtonplatten aus Aluminium und Aluminiumlegierungen durch Ätzen beinhaltet.

Die im ersten Verfahrensschritt durch Ätzen formgebend bearbeitete Werkstückoberfläche wird durch den in der dritten Stufe folgenden Ätzvorgang mittels alkalischer Ätzlösung geglättet, wobei die optimale Glättung dadurch zustande kommt, daß in dem zweiten Verfahrensschritt das abgelagerte Kupfer durch die wäßrige verdünnte Salpeterlösung entfernt wird, so daß die durch Oberflächenkupferteilchen bewirkte Buckelbildung vermieden und eine durchgehend glatte Oberfläche erlangt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich beim Bau von Gasturbinenstrahltriebwerken für Flugzeuge als besonders vorteilhaft erwiesen. Hierbei besteht die allgemeine Forderung, alle Teile grwichtsmäßig so leicht wie möglich herzustellen, so daß sich die Verwendung von Aluminium-Legierungen überall dort anbietet, wo dies die auftretenden Temperaturen zulassen, d. h. insbesondere im Kompressorteil bzw. mit dem dem Kompressor vorgeschalteten Gebläse. Dabei besteht für die der Luftströmung ausgesetzten Oberflächen die zusätzliche Forderung eines strömungstechnisch optimalen und geglätteten Oberflächenaufbatis. um die Strömtingsreibung und damit verknüfte Wirbelbildung weitgehend zu vermindern.

Rine besonders vorteilhafte Anwendung hat die Erfindung beispielsweise bei der Bearbeitung des .Strömungsteilerrings erfahren, der bei einem von der Anmeldcrin hergestellten Frontgebläsetriebwerk Anwendung findet, um den äußeren ringförmigen Gebläseluftstrom von der diis Kerntriebwerk und ihre Kompressoren durchsetzende Strömung zu trennen.

Hier ist das erfmdungsgemäße Verfahren besonders

zweckmäßig in der Anwendung, weil durch das Ätzfräsen der ersten Stufe schnell die strömungstechnisch optimale Oberflächengestalt erhalten werden kann, die dann ohne weitere Formveränderung geglättet wird.

Vorzugsweise wird in der zweiten Verfahrensstufe zur Entfernung des abgelagerten Kupfers eine lO^ü/oige wäßrige Salpetersäurelösung benutzt. Die für die dritte Verfahrensstufe benutzte Ätzlösung besteht vorzugsweise aus einer 15%igen wäßrigen Natriumhydroxidlösung, durch welche die Glättung gewährleistet wird.

Die für die erste Verfahrensstufe benutzten Nitrationen können aus Salpetersäure, jedoch aus einem ihrer Salze, z. B. auf Kupfernitrat gewonnen werden.

Nachstehend werden einige Verfahrensbeispiele erläutert:

Beispiel 1

Eine wäßrige Ätzlösung für die Verfahrensstufe 1 wurde dadurch hergestellt, daß Kupferchlorid in einer Mischung von Snusäure, Salpetersäure und Wasser gelöst wurde, bis die Lösung die folgende Zusammensetzung hatte:

H+ -2n

NOj- -1 η

Kupferionen —5 g/l

Ein Werkstück aus einer geschmiedeten Aluminiumlegierung (2,4% Kupfer, 1,5% Mg, 1,2% Ni, 1% Fe und der Rest Aluminium und Verunreinigungen) wurde in dieser Lösung eine Stunde iang geätzt, während die Lösung mit Luft in lewegung gesetzt wurde und die Temperatur auf 45°C gehalten wurde Dann wurde das Werkstück aus der Losung entnommen und mit Wasser abgespült. Anschließend wurde das abgelagerte Kupfer in einer zweiten Verfahrensstufe durch Eintauchen in eine IO%ige wäßrige Lösung von Salpetersäure entfernt. Nach einer weiteren Wasserspülung wurde das Werkstück in einer dritten Verfahrensstufe 3 Minuten lang in einer 15%igen wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid geätzt und dabei auf einer Temperatur von 80° C gehalten. Hierdurch wurde die Oberfläche glatt bei einer gleichmäßigen Ätztiefe.

Ein gleiches Ergebnis kann erhalten werden, wenn die vorstehend gekennzeichnete Legierung in der ersten Verfahrensstufe mit einer wäßrigen Ätzlösung behandelt wird, die eine größere Menge von Kupferionen, nämlich 29 g/l aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß auf die vorstehend geschilderte Weise auch eine Aluminiumlegierung mit Vorteil behandelt werden kann, die 4% Cu. 0.6% Mg. 0,8% Si, 0,8% Mn nvt dem Rest Aluminium und Verunreinigungen enthält.

Beispiel 2

Es wurde eine wäßrige Ätzlösung für die erste Verfahrensslufe dadurch hergestellt, daß Kupferchlorid in einer Mischung von Salzsäure. Schwefelsäure und

Wasser gelöst wurde, bis sich die folgende Zusammensetzung ergab:

H+ -2,5 η

NO₃- -|,3 η

Kupferionen —20 g/l

Ein Werkstück aus einer geschmiedeten Aluminiumlegierung (Zusammensetzung: 6% Cu, 0,2% Mg, 0,2% Si, 0,25% Mn, 1,5% Ti; Rest Aluminium und Vereinigungen) wurde bis auf eine Tiefe von etwa 5 mm geätzt, und die Ätzlösung wurde dabei mit Luft bewegt und auf einer Temperatur von 45° C gehalten. Nach einer Behandlung durch Eintauchen in eine 10%ige wäßrige Lösung von Salpetersäure wurde eine weitere Schicht von einer Dicke von 0,075 mm durch Äizen in einer 15%igen Lösung von Natriumhydroxid ent.ernt, die auf einer Temperatur von 80°C gehalten wurde. Die Oberfläche war glatt und maximale Unterschiede in der Tiefe betrugen nur 0,35 mm.

Hierzu wurde ein Vergleichsversuch ohne Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wie folgt durchgeführt:

Ein Versuchswerkstück der gleichen Legierungszusammensetzung wurde in eine übliche 5%ige wäßrige Ätzlösung eingetaucht, die 97 Teile Natriumhydroxid und 3Teile Natriumsulfid enthielt. Die Lösung wurde auf einer Temperatur von 90° C gehalten, und die freie Oberfläche wurde bis auf eine Tiefe von etwa 5 mm geätzt. Danach wurde das Werkstück abgewaschen und getrocknet, wobei sich eine rauhe Ätzoberfläche ergab, die Tiefenunterschieoe bis zu 2 mm aufwies, d. h. gegenüber der Oberfläche, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt war. Tiefenunterschiede der 6fachen Größe.

Beispiel 3

Eine wäßrige Ätzlösung wurde durch Lösung von Kupferchlorid in Salzsäure, Salpetersäure und Wasser hergestellt, und zwar mit der folgenden Zusammensetzung:

H* -4n

NO,- -3 η

Kupferionen -15 g/l

Ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung (Zusammensetzung: 2,4% Cu, 1.5% Mg. 1.2% Ni. 1% Fe und der Rest Aluminium und Verunreinigungen) wurde in dieser Lösung geätzt, wobei die Lösung durch Luft in Bewegung gesetzt und auf einer Temperatur von 15° C gehalten wurde. Die freie Oberfläche wurde in einer Tiefe von 3,7 mm geätzt. Dann wurde das Werkstück aus der Ätzlösung entnommen und unter Wasser abgespült. Dann wurde es in eine 10%ige wäßrige Lösung von Salpetersäure eingetaucht, um das abgelagert». Kupfer zu entfernen. Dann wurde das Werkstück wiederum in Wasser abgewaschen und es wurden weitere 0,075 mm der freien Oberfläche abgetragen, indem das Werkstück in einer wäßrigen Lösung von Natriumhydroxid geätzt wurde, die eine Temperatur von 80'C besaß. Die sich hierbei ergebende Oberfläche war glatt mit Tiefenunterschieden von nur 0,25 mm.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Erzielung glatter Oberflächen von Schmiedewerkstücken aus einer kupferhaltigen Aluminium-Legierung, unter Säurebehandlung und Spülungen, gekennzeichnet durch die Behandlung mit einer an sich bekannten wäßrigen Ätzlösung, die 5 bis 100 g/l Kupferionen, Wasserstoffionen in einer Menge zwischen 1,5 η und 6,0 η und Nitrationen in einer Konzentration zwischen 0,5 η und 5,0 η enthält, wobei die Normalität der Nitrationen niedriger eingestellt ist als die Normalität der Wasserstoffionen, Spülung der Werkstücke, gefolgt von einer Behandlung mit einer wäßrigen verdünnten Salpetersäurelösung zur Entfernung des abgelagerten Kupfers, nochmalige Spülung der Werkstücke und durch nachfolgende Behandlung mit einer verdünnten wäßrigen Natriumhydroxidlösung zur Glättung der Oberfläche.