鋁合金及其復(fù)合材料的表面強化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬表面強化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋁合金及其復(fù)合材料的表面強化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋁合金及其復(fù)合材料具有密度小、比強度高、比剛度高、抗疲勞和蠕變性能良好、耐腐蝕等優(yōu)良性能，經(jīng)常作為首選的輕量化結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。
[0003]噴丸強化是一種能夠有效提高零部件抗疲勞性能的重要手段，它可以在金屬表面形成一殘余壓應(yīng)力層，能夠防止和延緩疲勞裂紋的萌生和擴展，提高零部件的疲勞壽命。另外表面殘余壓應(yīng)力還可以使零部件耐磨性能增強，能夠有效地防止應(yīng)力腐蝕，提高其腐蝕疲勞壽命。
[0004]鋁合金及其復(fù)合材料作為一種航空航天用關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)件，其表面質(zhì)量對其疲勞壽命影響非常敏感。傳統(tǒng)的表面強化處理方法僅僅是把經(jīng)過塑性成形的零部件直接進行噴丸處理，中間不經(jīng)過任何環(huán)節(jié)的處理。但實際上零部件在塑性成形結(jié)束后表面會殘留很多潤滑劑(如石墨等)，以及在塑性成形環(huán)節(jié)中引入的其它雜質(zhì)(如鐵屑等)，若零部件形狀復(fù)雜則可能產(chǎn)生很多折疊、凹坑等鍛造缺陷，僅通過單一的噴丸處理無法完全清除上述雜質(zhì)和缺陷，甚至?xí)岩恍╇s質(zhì)壓進鍛件表層，為疲勞裂紋的萌生提供優(yōu)越條件，鍛件的疲勞壽命會隨之降低。因此，獲得一個潔凈、有殘余壓應(yīng)力的表面強化層尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，該表面強化方法強化層更加潔凈、成本低、生產(chǎn)效率高，可以顯著提高材料的抗疲勞性能、耐磨性能等機械性能。
[0006]一種鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，包括下述步驟:
[0007](I)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴砂處理，砂子粒徑為70?200 μ m，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)和折疊缺陷等；
[0008](2)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行腐蝕處理，首先放入氫氧化鈉水溶液中浸泡，然后清水沖洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水沖洗，最后吹干，去除表面噴砂痕跡:
[0009](3)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴丸處理，彈丸采用球形玻璃丸，粒徑為70?200 μ m,形成壓應(yīng)力層。
[0010]對于承載結(jié)構(gòu)件而言，零部件表面質(zhì)量好壞會顯著影響其疲勞壽命，表面質(zhì)量好、存在壓應(yīng)力強化層則其疲勞壽命較長，所以獲得一個潔凈、有殘余壓應(yīng)力的表面強化層尤為重要。
[0011]本發(fā)明中，首先對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴砂處理，利用砂子較好的切削能力來清理在塑性成形階段引入表面的潤滑劑、污染雜質(zhì)或折疊缺陷等，砂子粒徑為70?200 μ m,噴射距離為10?40cm,氣體壓力0.2?IMPa,粒徑太小或太大的砂子切削能力差、噴砂效率低。
[0012]然后，對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行腐蝕處理，首先放入質(zhì)量濃度為10%?20%、溫度為50?80°C的氫氧化鈉水溶液中浸泡,浸泡時間為5?15min后清水沖洗,然后放入質(zhì)量濃度為5%?10%、溫度為室溫的硝酸溶液中浸泡,浸泡時間為I?3min后清水沖洗，再吹干；去除表面噴砂痕跡。噴砂處理后，材料表面會產(chǎn)生很多砂子留下的短劃痕(見圖2 (a))，這種表面非常有利于疲勞裂紋萌生，會極大地降低零部件的使用壽命，所以采用價格低廉、操作簡單的氫氧化鈉溶液將其腐蝕清除，再采用硝酸溶液中和殘留的氫氧化鈉溶液，最終獲得一個光滑、潔凈的表面。
[0013]最后，對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴丸處理，產(chǎn)生一個潔凈的壓應(yīng)力層，彈丸選用球形玻璃丸，粒徑為70?200 μ m,噴射距離為10?40cm，氣體壓力0.2?IMPa。
[0014]本發(fā)明的表面強化方法可廣泛應(yīng)用于2XXX系和6XXX系鋁合金及其復(fù)合材料的鑄件和模鍛件。
[0015]本發(fā)明的鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法的優(yōu)點為:該方法成本低、生產(chǎn)效率高、可獲得一個潔凈、有殘余壓應(yīng)力的表面強化層，具有強化層更加潔凈、成本低及生產(chǎn)效率高的特點，可以顯著提高材料的抗疲勞性能、耐磨性能等機械性能。
[0016]下面通過【具體實施方式】和附圖對本發(fā)明做進一步說明，但不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。
【附圖說明】
[0017]圖1是鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化工藝流程簡圖。
[0018]圖2 (a)是15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料鍛件噴砂后顯微組織照片(日立S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，放大400倍)。
[0019]圖2 (b)是15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料鍛件腐蝕后顯微組織照片(日立S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，放大400倍)。
[0020]圖2 (C)是15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料鍛件噴丸后顯微組織照片(日立S-4800型冷場發(fā)射掃描電鏡，放大400倍)。
【具體實施方式】
[0021]如圖1所示，為本發(fā)明鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化工藝流程簡，包括對零部件進行噴砂處理，腐蝕處理和噴丸處理三個步驟。首先對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴砂處理，利用砂子較好的切削能力來清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)或折疊缺陷等；然后進行腐蝕處理，去除表面噴砂痕跡；最后進行噴丸處理，使材料表面產(chǎn)生一個潔凈的壓應(yīng)力層，從而顯著提高材料的抗疲勞性能、耐磨性能等機械性能。
[0022]實施例1:
[0023]本實施例的實驗材料為15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料鍛件。具體實施方法:第一步，對復(fù)合材料鍛件進行噴砂處理，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)或折疊缺陷等，砂子粒徑為150μπι，噴射距離為10cm，氣體壓力IMPa ;第二步，對復(fù)合材料鍛件進行腐蝕處理，去除表面噴砂痕跡:首先放入質(zhì)量濃度為10%、溫度為70°C的氫氧化鈉水溶液中浸泡1min后清水沖洗，然后放入質(zhì)量濃度為5%、溫度為室溫的硝酸溶液中浸泡3min后清水沖洗，再吹干；第三步，對復(fù)合材料鍛件進行噴丸處理，產(chǎn)生壓應(yīng)力層，彈丸選用球形玻璃丸，粒徑為70 μ m,噴射距離為20cm,氣體壓力IMPa。
[0024]圖2為15vol.%SiCp/2009Al復(fù)合材料經(jīng)過噴砂處理后鍛件表面微觀組織，經(jīng)過噴砂處理后(圖2(a))，鍛件表面布滿了短劃痕，這些劃痕會給鍛件疲勞性能帶來不利影響，所以必須將其清除。經(jīng)過氫氧化鈉溶液腐蝕后(圖2(b))，噴砂殘留的短劃痕被清理掉，鍛件表面光滑，有一層SiC顆粒裸露在外。經(jīng)過噴丸處理后(圖2(c))，裸露在外的SiC顆粒被撞擊脫落，在鍛件表面產(chǎn)生形成一層均勻的丸坑。經(jīng)測試，噴丸前鍛件硬度為160HB，噴丸后為180HB，提高了 12.5%。拉-拉軸向疲勞測試表明，加載應(yīng)力為380MPa時，材料的循環(huán)周次由噴丸前的2X 15提高至3X106。
[0025]實施例2:
[0026]本實施例的實驗材料為2024A1板材。具體實施方法:第一步，對2024A1板材進行噴砂處理，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)或折疊缺陷等，砂子粒徑為100 μ m，噴射距離為20cm，氣體壓力0.5MPa ;第二步，對2024A1板材進行腐蝕處理，去除表面噴砂痕跡:首先放入質(zhì)量濃度為15%、溫度為60°C的氫氧化鈉水溶液中浸泡5min后清水沖洗，然后放入質(zhì)量濃度為10%、溫度為室溫的硝酸溶液中浸泡Imin后清水沖洗，再吹干；第三步,對2024A1板材進行噴丸處理，產(chǎn)生壓應(yīng)力層，彈丸選用球形玻璃丸，粒徑為150 μ m,噴射距離為40cm，氣體壓力0.5MPa。經(jīng)測試，噴丸前材料硬度為125HB，噴丸后為140HB，提高了 12%。拉-拉軸向疲勞測試表明，加載應(yīng)力為300MPa時，材料的循環(huán)周次由噴丸前的5 X 15提高至I X 106。
[0027]實施例3:
[0028]本實施例的實驗材料為6061A1棒材。具體實施方法:第一步，對6061A1棒材進行噴砂處理，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)或折疊缺陷等，砂子粒徑為200 μ m,噴射距離為30cm，氣體壓力0.2MPa ;第二步，對6061A1棒材進行腐蝕處理，去除表面噴砂痕跡:首先放入質(zhì)量濃度為20%、溫度為50°C的氫氧化鈉水溶液中浸泡5min后清水沖洗,然后放入質(zhì)量濃度為10%、溫度為室溫的硝酸溶液中浸泡2min后清水沖洗，再吹干；第三步，對6061A1棒材進行噴丸處理，產(chǎn)生壓應(yīng)力層，彈丸選用球形玻璃丸，粒徑為200 μ m,噴射距離為30cm，氣體壓力0.2MPa。經(jīng)測試，噴丸前材料抗拉強度為240MPa，噴丸后為260MPa。拉-拉軸向疲勞測試表明，加載應(yīng)力為120MPa時，材料的循環(huán)周次由噴丸前的7X 14提高至8X 105。
[0029]本發(fā)明成本低、生產(chǎn)效率高，可獲得一個潔凈、有殘余壓應(yīng)力的表面強化層，可以顯著提高材料的抗疲勞性能、耐磨性能等機械性能。
【主權(quán)項】
1.一種鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，包括下述步驟: (1)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴砂處理，砂子粒徑為70?200μ m，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)和折疊缺陷； (2)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行腐蝕處理，首先放入氫氧化鈉水溶液中浸泡，然后清水沖洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水沖洗，最后吹干，去除表面噴砂痕跡: (3)對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴丸處理，彈丸采用球形玻璃丸，粒徑為70?200 μ m，形成壓應(yīng)力層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，其特征在于:所述的噴砂處理中，噴射距離為10?40cm，氣體壓力0.2?IMPa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，其特征在于:所述的氫氧化鈉水溶液的質(zhì)量濃度為10%?20%，溫度為50?80°C，浸泡時間為5?15min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，其特征在于:所述的硝酸溶液的質(zhì)量濃度為5%?10%，浸泡時間為I?3min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，其特征在于:所述的噴丸處理中，噴射距離為10?40cm,氣體壓力0.2?IMPa。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種鋁合金及其復(fù)合材料零部件的表面強化方法，屬于金屬表面強化技術(shù)領(lǐng)域。首先，對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴砂處理，砂子粒徑為70～200μm，清理表面潤滑劑、污染雜質(zhì)和折疊缺陷；其次，對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行腐蝕處理，首先放入氫氧化鈉水溶液中浸泡，然后清水沖洗，再放入硝酸溶液中浸泡，清水沖洗，最后吹干，去除表面噴砂痕跡：最后，對鋁合金及其復(fù)合材料零部件進行噴丸處理，彈丸采用球形玻璃丸，粒徑為70～200μm，形成壓應(yīng)力層。鋁合金及其復(fù)合材料零部件經(jīng)過該方法處理后，可以顯著提高材料的抗疲勞性能、耐磨性能等機械性能。
【IPC分類】C22F1-04, C23F17-00
【公開號】CN104674231
【申請?zhí)枴緾N201310629089
【發(fā)明人】魏少華, 劉彥強, 左濤, 聶俊輝, 郝心想, 馬自力, 樊建中
【申請人】北京有色金屬研究總院
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2013年11月29日