化学铣切对铝合金基体粗糙度的影响

化学铣切对铝合金基体粗糙度的影响

王桂峰

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司黑龙江省哈尔滨市150066

摘要：随着航空工业的不断发展，越来越多材料的零件要求进行化铣加工,因此对化铣后的表面质量及光洁度的要求也日益严格。本文论述了化学铣切对铝合金基体粗糙度的影响。

关键词：铝合金；化学铣切；粗糙度

化学铣切是指将金属材料要加工的部位暴露于化学介质中进行腐蚀，从而获得零件所需的形状和尺寸的一种加工方法，所以铝合金的化学铣切已成为航空与航天工业零件成形的可靠加工方法。

一、铝及铝合金概述

铝是银白色轻金属，熔点660.37℃，沸点2467℃，密度为2.702g/cm3，大约是铜的1/3，是地壳中含量最丰富的金属元素之一，其储量在金属中居第一位。铝是具有光泽的金属，质轻，并且没有毒性和磁性，撞击时不产生火花，延展性好，其在空气中有较高的稳定性，即使在无任何保护的情况下也具有较强的抗蚀能力，在所有金属品种中，仅次于钢铁，为第二大类金属。航空、建筑、汽车三大重要工业的发展，要求材料的特性具有铝及其合金的独特性质，这就非常有利于这种新金属铝的生产和应用。

铝合金是以铝为基的合金总称，主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。它是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。此外，铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可采用热处理获得良好的机械性能、物理性能和抗腐蚀性能。硬铝合金属Al—Cu—Mg系，一般含有少量的Mn，可热处理强化．其特点是硬度大，但塑性较差。超硬铝属Al一Cu—Mg—Zn系，可热处理强化，是室温下强度最高的铝合金，但耐腐蚀性差，高温软化快。锻铝合金主要是Al—Zn—Mg—Si系合金，虽然加入元素种类多，但含量少，因而具有优良的热塑性，适宜锻造，故又称锻造铝合金。

二、化铣原理

化学铣切(简称化铣)是以加工大型、薄壁、型面复杂的立体零件为主要方向，被广泛应用于航天的机翼蒙皮、航天的变截面零件和大型外部承受力的结构件、发动机喷管、海底隧道管及车载压力容器等领域中。此外，由于化学铣切是加工整体加强结构件的主要工艺方法，具有加工成本低、效率高、减轻结构重量的特点，再加上铝合金具有接近钛合金、结构钢队的比强度、高的比刚度性能，以及工艺性能优良、成型方便、成本低廉等其它合金所不能比拟的优点，所以，它在现代加工结构中铝合金零部件所占比例较高。

化学铣切溶液采用氢氧化钠NaOH硫化钠Na2S、三乙醇胺TEA、磷酸三丁酯、可溶三价铝Al作为腐蚀溶液，其中氢氧化钠是主要的腐蚀剂，它与铝发生如下反应：

2Al+2NaOH+2H2O=2NaA102+3H2↑

反应中放出氢气，而NaA102仍留于溶液中，随着溶液中NaOH浓度的降低和NaA102含量的增加，反应速度逐渐下降当发生如下水解作用时反应将停止：

NaA102+2H2O=Al(OH)3+NaOH

三、溶液成分的作用分析

NaOH作为主要的腐蚀剂，对化铣速率和粗糙度有着决定性的影响。NaOH浓度越高，化铣速率越快。同时，NaOH浓度对表面光洁度也有影响，过高或过低都会降低表面光洁度。而且若浓度过高，易对零件造成过腐蚀，使框格内的溶液来不及扩散，从而影响化铣轮廓线的偏离。

Na2S在溶液中对化铣表面有整平和光亮的作用，用于改善化铣表面光洁度。同时它也是辅助腐蚀剂，用于沉淀合金中所含的Cu、Mn、Zn等金属元素，以免它们在化铣过程中与Al发生电偶腐蚀，从而形成粗糙表面。

TEA是一种有机表面活性剂，在溶液中主要起光亮作用，同时与溶液中的Cu、Mn、Zn等金属元素配位，减少硫化物在溶液中的沉淀，防止硫化物沉淀淤积于化铣表面而引发选择性腐蚀。

溶解铝主要是指溶液中生成的A-l02-，用于老化溶液。溶液中溶解铝的量过少或过多均会严重影响化铣轮廓线的偏离和表面粗糙度。

磷酸三丁酯主要是将溶液中产生的泡沫进行消除，主要起消沫作用。

四、工艺条件的影响

装挂时，零件应沿同一方向竖直装挂，零件之间、零件与槽壁之间的间隔不得小于150mm，以防止化铣过程中因零件放热而导致局部过热，从而引起局部过腐蚀。

化铣前，用压缩空气对槽液搅拌2～3min，以消除槽液内的温度梯度，避免温差引起零件上下框格的腐蚀速率不均引发的“锥度腐蚀”。

为确定零件的化铣时间，应在化铣前将槽液调整至工作温度，将与零件同材质、同热处理状态的试片放入槽中化铣10分钟，取出测量起化铣深度，以此计算化铣速率，并通过此速率计算和确定零件的化铣时间。

五、工艺过程

装挂→涂胶前处理→涂胶→硫化→干燥固化→胶膜检漏→刻型→化学铣切→测量铣切深度→冷水洗→热水洗→干燥。

涂胶前处理包括除油及去除铝合金表面的自然氧化膜,露出新鲜的基体,具体条件为:除油:44g/L～51g/L的Turco4215水溶液中,温度63℃～68℃下清洗10min～15min；脱氧:46g/L～58g/LCrO3、10%HNO3、1%HF的室温溶液中处理1min～3min；化学铣切采用NaOH、Na2S溶液。

六、正交试验

材料:2024-T3轧制板；尺寸:150mm×75mm×3mm；选择四因素三水平用L9(34)正交表进行正交设计试验(见表1、2)。

七、结果分析

1、直观分析。由表2中直接看出,第6号试验(A2B3C1D2)的试验结果(Ra=1.51μm)最小,是这次试验中最好的。但这一方案是否是A、B、C、D各因素水平的最佳搭配还需进行计算分析。

2、计算分析。在表2中每一列下面分别列出K1、R1、K2、R2、K3、R3和M,它们的计算方法如下:

同理,可计算出其余三列的K1、K2、K3、R1、R2、R3。

T为9个试验结果之和:T=K1+K2+K3=15.55

为了直观起见,画出因素与指标的关系图(如图1)。由图1可看出,点子上升或下降的幅度大,该因素就是主要因素(如A),反之,为次要因素(如B、C)。为了数量化,可用极差(M)来描述分散程度的大小。极差越大,该因素就是主要因素。

八、结论

从表2中的计算结果和图1的趋势可以看出:①NaOH浓度在170g/L时,粗糙度最小；②Na2S浓度在20g/L时,粗糙度最小；③Al在20g/L时,粗糙度最小,但变化不大；④温度90℃为最好。因此,可确定最优的组合为A2B2C1D2。试验表明,铝合金化学铣切溶液中的NaOH,是影响基体粗糙度的主要因素,Na2S和Al的影响很小。

总之，铝合金化学铣切是飞机制造和宇航工业上一种重要的、不可缺少的加工方法,特别是对成形零件的加工既可靠又有效。但由于铝合金化学铣切对零件尺寸及表面粗糙度改变较大,且表面粗糙度的大小将直接对基体材料疲劳性能产生影响,因此许多零件对其表面粗糙度都有一定的要求,所以研究化学铣切溶液中各主要成份对铝合金基体粗糙度的影响非常有必要。

参考文献：

[1]任继嘉.铝合金表面处理[M].北京：冶金工业出版社，2014:4-25

[2]尹茂生.铝合金化学铣切工艺研究[J].材料保护，2014，38(08):24-25.