化學銑切對6A02薄鋁板性能的影響

周訓偉 巢昺軒 黃向群 郭 楠

（昌河飛機工業(yè)（集團）有限責任公司，景德鎮(zhèn) 333002）

文 摘 6A02 鋁合金薄板在直升機上應用較廣泛，有時需進行化銑。通過采用尺寸測量、拉伸性能檢測、金相分析等手段，研究了化銑對6A02 鋁合金薄板厚度、表面質(zhì)量、力學性能和顯微組織影響。結(jié)果表明，化銑可將薄板厚度銑削變薄；溶液中的Na2S 與三乙醇胺共同作用，可降低合金元素與Al 形成的電偶腐蝕作用，使薄板表面質(zhì)量改善；合金析出相的電化學性質(zhì)與基體無明顯差異，不會引起合金晶間腐蝕缺陷，對薄板的力學性能和顯微組織無明顯影響。可采用化銑對6A02薄鋁板進行加工。

0 引言

鋁合金由于具有密度低、耐低溫、較好導熱性和耐腐蝕性等特性。同時，由于裝備結(jié)構(gòu)輕量化的要求，鋁合金已經(jīng)逐漸代替了傳統(tǒng)的鋼鐵，被廣泛應用于航空、航天、武器裝備、汽車等行業(yè)［1-4］。

化學銑切，簡稱化銑，也被稱為化學加工、濕腐蝕等，指的是將金屬材料需要加工的部位暴露于化學介質(zhì)（鋁合金化學銑切主要采用氫氧化鈉溶液）中進行腐蝕，從而獲得零件所需的形狀和尺寸的一種加工方法，屬于特種加工工藝［5-7］。鋁合金化學銑切已在航空航天工業(yè)的零件成形過程中廣泛使用，尤其是在加工飛機蒙皮等成型的板材零件時，要比用傳統(tǒng)的機械加工方法可靠、有效，且不會產(chǎn)生任何加工應力［8］。其涉及的主要化學反應有：

6A02 合金屬于鋁-鎂-硅系合金，是可熱處理強化鋁合金，具有中等強度和良好的塑性，生產(chǎn)過程中常將其處理至T62態(tài)，也是耐腐蝕性較好的一種結(jié)構(gòu)材料，常用于制造飛機蒙皮等［9-10］。6A02 的鋁合金薄板在直升機上較廣泛應用，在生產(chǎn)過程中有時需要用化銑對其進行加工。許多研究者對6A02 鋁合金開展了相關(guān)研究，其中部分研究者［11-14］開展了熱處理工藝對6A02 鋁合金性能影響的研究，李旭東、郝文魁等［15-16］對6A02 鋁合金的腐蝕行為進行了研究，邢瑋等［17］對6A02 鋁合金疲勞微裂紋的擴展進行了研究。而對于6A02 鋁合金化學銑切相關(guān)的研究相對較少。本文開展化學銑切對6A02 鋁合金薄板厚度、表面質(zhì)量、力學性能和顯微組織影響的研究。

1 原材料性能及實驗方法

1.1 原材料性能

選用6A02-O 薄鋁板進行化銑試驗，其化學成分如表1所示。該板材試樣的化學成分均符合標準要求，其余各項性能也均合格。板材試樣無內(nèi)應力，在化銑或后續(xù)成型過程中無應力釋放。化銑試驗用薄鋁板試樣的具體信息見表2。

表1 原料實測化學成分Tab.1 The chemical composition of raw materials %（w）

表2 化銑試驗用薄鋁板的要求Tab.2 The requirements for thin aluminum sheet for chemical milling test

1.2 實驗方法

1.2.1 化學銑切工藝

化銑在表面處理生產(chǎn)線上進行，其工藝流程為：預除油→化學除油→水洗→硝酸出光→水洗→堿清洗→水洗→硝酸出光→水洗→干燥→涂保護膠→刻型→化學銑切→水洗→硝酸出光→水洗→去保護膠。

鋁合金化銑槽液及工藝參數(shù)：①槽液組成：NaOH 120～195 g/L，NaS211～26 g/L，三乙醇胺30～60 g/L，Al3+19～75 g/L，水（C 類：Cl-≤1.5×10-4）；②腐蝕速度0.03～0.05 mm/min；③銑切溫度：溫度99～104 ℃。

1.2.2 化銑實驗方案

化學銑切前，將6A02-O（C1～C5）送去進行熱處理至T62 態(tài)，之后分別選取6A02（B1～B3）和6A02（C1～C3）進行雙面化學銑削試驗，化學銑切后的厚度要求均為2.0 mm。化學銑切結(jié)束后，將經(jīng)化銑的薄鋁板材料6A02（B1～B3）、6A02（C1～C3）及未化銑的6A02（B4～B5）、6A02（C4～C5）薄鋁板材料進行理化檢測，具體檢測項目分別為：B1、C1 檢測顯微組織，B2～B5、C2～C5檢測抗拉強度和伸長率。

1.2.3 性能分析

拉伸性能采用Instron1342 電液伺服萬能試驗機，測試方法按照GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗第1 部分：室溫試驗方法》進行。試樣經(jīng)切割、研磨拋光及腐蝕處理后，采用XJP-4XB 顯微鏡觀察其金相組織，測試方法依據(jù)GB/T3246.1—2012《變形鋁及鋁合金制品顯微組織檢驗方法》進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 化銑對6A02薄板厚度尺寸的影響

選取薄鋁板材料6A02-B-δ2.5 mm、6A02-C-δ2.5 mm 進行化學銑切，化銑后的厚度要求為2.0 mm。化銑前后，在每塊鋁板的四周邊緣分別選取兩點進行厚度檢測，具體情況見圖1。由其可知，6A02-B、6A02-C 鋁板化銑前的厚度均為負偏差，且均在對應公差范圍內(nèi)，符合GJB2053—1994 要求。經(jīng)化銑后，材料厚度均為（2.0±0.08）mm，厚度偏差符合HB7786—2005 中的公差要求。因此，化銑可將6A02-O、6A02-T62厚度減薄至規(guī)定尺寸。

圖1 6A02-B-δ2.5 mm、6A02-C-δ2.5 mm化銑前后厚度Fig.1 The thickness of 6A02-B-δ2.5 mm，6A02-C-δ2.5 mm before and after milling

2.2 化銑對6A02薄板表面質(zhì)量的影響

鋁合金材料6A02-B、6A02-C 化銑前后的表面質(zhì)量見圖2。

圖2 6A02-B、6A02-C化銑前后表面質(zhì)量Fig.2 The surface quality of 6A02-B，6A02-C before and after chemical milling

由圖2可知，6A02-B、6A02-C 表面化銑前均存在較小劃傷、凹坑等，而經(jīng)化銑后，6A02-B、6A02-C表面呈金屬光澤，表面粗糙度明顯降低。這是因為化銑溶液中加入了添加劑NaS2和三乙醇胺。NaS2中的S 易于與合金元素Zn、Cu 等元素結(jié)合，可降低Zn、Cu 等合金元素與Al 形成的電偶腐蝕作用，鋁的腐蝕起到主導作用，從而降低表面粗糙度；而三乙醇胺是一種高效的螯合劑和表面活性劑。作為螯合劑，可螯合重金屬Zn、Cu等合金元素，降低S的消耗。而作為表面活性劑，可以使附著在化銑試樣表面上的沉淀迅速脫離，從而增大S 與試樣表面接觸面積，進而降低電偶腐蝕作用，提升試樣表面質(zhì)量。因此，化銑能使6A02-B、6A02-C表面質(zhì)量得到改善。

2.3 化銑對6A02薄板力學性能的影響

鋁合金材料6A02 的鋁含量達到90%以上，材料退火態(tài)（O 態(tài)）抗拉強度低、伸長率高。化銑前后，對6A02-B、6A02-C 的鋁板進行抗拉強度和伸長率檢測，結(jié)果如表3所示。

表3 6A02-O-B、6A02-T62-C化銑前后的力學性能Tab.3 The mechanical properties of 6A02-O-B，6A02-T62-C before and after chemical milling

由表3可知，6A02-O 化銑后B-2、B-3 與未化銑B-4、B-5 相比，抗拉強度基本無變化，延伸率稍有下降，但仍明顯高于材料技術(shù)標準GJB2053-1994 的要求；對于6A02-T62 C-2～C-5，對比經(jīng)過化銑的C-2、C-3 與未化銑C-4、C-5 力學性能，顯示化銑前后其抗拉強度和延伸率基本無變化，且均滿足標準要求，這是因為化銑沒有導致6A02-B、6A02-C 鋁板的晶間腐蝕產(chǎn)生。晶間腐蝕的發(fā)生會破壞晶粒和晶界間的結(jié)合力，引起力學性能大幅度下降。因此，化銑過程對6A02-O、6A02-T62 的材料力學性能均不會產(chǎn)生影響。

2.4 化銑對6A02薄板顯微組織的影響

6A02-O-B、6A02-T62-C 化銑后的顯微組織分別見圖3～圖4。由圖3～圖4可知，6A02-O-B 的顯微組織均勻分布，而6A02-O-C 經(jīng)520 ℃固溶、160 ℃時效熱處理至T62 態(tài)后，有明顯的晶界產(chǎn)生，且有增強相析出，從而使其抗拉強度大幅度提高。這是因為合金析出的總體過程為：過飽和固溶體（SSSS）→球狀GP 區(qū)→亞穩(wěn)針狀β″相（共格）→亞穩(wěn)棒狀β′相（半共格）→穩(wěn)定平衡β 相（Mg2Si）（非共格）［18］。當時效溫度為150～160 ℃時，由于過渡相β′的界面能小，大于臨界尺寸的亞穩(wěn)針狀β″相區(qū)長大形成過渡相β′，β′相與基體保持共格關(guān)系［19］，與穩(wěn)定相β（Mg2Si）化學成分相同，從而有效地阻礙了晶體的變形，致使合金經(jīng)固溶時效后強度明顯提高［12］。

另外，6A02-O-B 與6A02-T62-C 顯微組織均未見化銑引起的晶間腐蝕等缺陷。根據(jù)文獻［20］研究，一方面是因為6A02 合金析出相的電化學性質(zhì)與基體無明顯差異，一般不具備晶間腐蝕的傾向；另一方面是因為Mg 和Si 主要形成強化相Mg2Si，當m（Mg）/m（Si）≥1.73 時，6A02 合金只能在晶界處形成不連續(xù)分布的Mg2Si 粒子，從而不能形成連續(xù)的腐蝕通道，致使合金無晶間腐蝕傾向。因此，結(jié)合試樣力學性能分析結(jié)果，可以得出化銑過程對6A02-O-B、6A02-T62-C的顯微組織無明顯影響。

圖3 6A02-O鋁合金材料化銑后的顯微組織Fig.3 Microstructure of 6A02-O aluminum alloy material after milling 500×

圖4 6A02-T62鋁合金材料化銑后的顯微組織Fig.4 Microstructure of 6A02-T62 aluminum alloy material after milling 500×

3 結(jié)論

通過對6A02-O 和6A02-T62 鋁合金薄板化銑前后的厚度尺寸、表面質(zhì)量、力學性能及顯微組織的研究，可得出如下結(jié)論：

（1）化學銑切可將鋁合金薄板厚度銑削至所需規(guī)格，可較明顯的改善鋁合金薄板表面質(zhì)量，且對鋁合金薄板的力學性能和顯微組織無明顯影響；

（2）6A02-O、6A02-T62 鋁合金薄板在成形零件的過程中，可以采用化銑工藝對其進行加工，其是一種可靠、有效的加工方法。