CN104005062B - 一种铝铜合金材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铝铜合金材料的制备方法，生产周期短、成本低。该方法包括以下步骤：(1)依次用320目、500目、1000目水磨砂纸将阴、阳电极材料打磨抛光至镜面光亮；(2)将打磨后的阴极材料先用乙醇清洗，再用蒸馏水冲洗掉表面残留的乙醇，然后将阴、阳电极材料浸泡在热碱洗液中进行碱洗除去表面油污，将阴、阳电极材料取出后用蒸馏水清洗电极表面残留碱液；再将阴极材料极放入酸洗液中除去表面氧化膜，活化阴极；(3)连接电路，打开直流电源，将阴、阳电极材料连接好后浸入电解液中进行沉积、电镀；(4)将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理，热处理结束后即得铝铜合金材料；阳极材料为纯铝片，阴极材料为纯铜片。

Description

一种铝铜合金材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种合金材料的制备方法，更具体地说涉及一种铝铜合金材料的制备方法，属于材料表面处理领域。
背景技术
铝铜合金也称硬铝合金，是工业中广泛应用的金属结构材料之一。由于其具有良好的综合力学性能，如高的强度，很好的延展性和塑性良好的高温性能及切削性，已经被广泛地应用在航空航天产品、轻型装甲以及汽车的某些零部件等民用领域。例如航空航天结构件、焊条焊料、机械加工品、发动机活塞机轮等等。段文燕等研究了高压处理对铜铝合金显微组织、力学性能及摩擦因数的影响。结果表明：经2GPa高压处理后，铜铝合金的组织得到细化，分布更加均匀；其纳米压痕硬度、弹性模量、硬弹比和弹性回复系数均有所提高，但摩擦因数却稍有降低。张磊等采用脉冲磁场技术制备了半固态Al-4.5Cu合金坯料，考察了冷却速度和脉冲频率对半固态坯料初生α-Al相形貌和尺寸的影响。结果表明，初生α-Al相平均晶粒尺寸和平均形状系数分别随着冷却速度的减小和脉冲频率的增加而相应的减小和增加。
Al-Cu类合金是工业上最早采用的铸铝合金。铸造法工艺其优点是可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯。铝铜合金的制备研究主要集中在除气、脱氧、除渣、变质处理等方面。由于铝铜合金的结晶温度范围较小，流动性好，但是体收缩率比较大，容易形成缩孔等缺陷。此外，由于铝铜合金表面熔炼时容易产生一层Al2O3保护膜，可以阻止铜液的氧化。但是这层Al2O3保护膜很容易在熔炼过程中遭到破坏，因此通常在熔炼过程中采用木炭、玻璃等覆盖熔剂或者Na2CO3、CaF2等精炼熔剂来防止氧化和吸气。精炼熔剂的加入势必造成材料纯度、导电性以及力学性能下降。真空熔炼的铝铜合金质量较好，但是由于真空设备成本高，生产效率低下，固很少采用。熔炼后的铝铜锭表面及内部往往出现氧化铝夹渣，这种粗大的氧化物夹渣将大大降低铝铜合金的力学性能。为了避免生产中出现上述问题，需要研发一种新方法来制备铝铜合金。
发明内容
本发明的目的在于解决铝铜合金在实际生产过程中产生缩裂、充型不良等铸造缺陷的问题，提供一种铝铜合金材料的制备方法。该方法缩短了工艺流程，提高了工作效率，大大降低了能耗，周期短、成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明的铝铜合金材料的制备方法，其包括以下步骤：
(1)依次用320目、500目、1000目水磨砂纸将阴、阳电极材料打磨抛光至镜面光亮；
(2)将打磨后的阴极材料先用乙醇清洗，再用蒸馏水冲洗掉表面残留的乙醇，然后将阴、阳电极材料浸泡在热碱洗液中进行碱洗除去表面油污，将阴、阳电极材料取出后用蒸馏水清洗电极表面残留碱液；再将阴极材料极放入酸洗液中除去表面氧化膜，活化阴极；
(3)连接电路，打开直流电源，将阴、阳电极材料连接好后浸入电解液中进行沉积、电镀；
(4)将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理，热处理结束后即得铝铜合金材料；
其中所述的阳极材料为纯铝片，阴极材料为纯铜片。
本发明的铝铜合金材料的制备方法，其进一步的技术方案是所述的碱洗液配方为：NaOH5～15g/L、Na2CO325～45g/L、NaPO330～50g/L，碱洗液温度50～70℃，碱洗时间10～20min；酸洗液配方为：HCl20～40g/L，酸洗活化时间1～2min；从碱洗液、酸洗液中取出的电极均用流动蒸馏水冲洗后吹干。
本发明的铝铜合金材料的制备方法，其进一步的技术方案还可以是所述的电解液中无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为3:1:1～8:1:1，所述的沉积电流密度为0.5～5A/dm2，沉积温度为140～180℃；整个电镀过程中保持电解液搅拌，以确保熔盐成分及温度的均匀性；电镀结束后，将试样迅速放入水中超声清洗后吹干。
本发明的铝铜合金材料的制备方法，其进一步的技术方案还可以是所述的将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理步骤为：将电镀后的试样放入管式气氛炉，预先通1小时氩气置换出体系中的空气后以5℃/min的升温速度升温；热处理温度为650～850℃，保温4～6小时后降温至室温，整个过程中维持氩气流量80mL/min。
本发明的有益效果是：
本发明采用电镀后热处理的方法制备铝铜合金，有效避免了实际生产中由于体收缩而形成缩孔等缺陷，以及粗大的氧化物夹渣造成的铝铜合金的力学性能的下降。此外还能缩短生产周期、避免使用一些大型机械设备，从而达到降低能耗、节约生产成本的目的。所提出的制备工艺得到的铝铜合金具有面心立方晶体结构，晶格常数为显微硬度为117.66～132.57HV，腐蚀电流密度为1.375×10-6～1.323×10-5A/dm2。
附图说明
图1是电解装置示意图，1：直流电源，2：电流表，3：油浴，4：氩气；
图2是实施例1中电流密度0.5～2A/dm2，沉积温度170～180℃条件下沉积，经650～850℃热处理4～6h后材料的X射线衍射图谱(XRD)；
图3-1是实施例2中电流密度2～3A/dm2，沉积温度160～170℃条件下沉积，经650～850℃热处理4～6h后材料的截面扫描电镜图片(SEM)；
图3-2是实施例2中电流密度2～3A/dm2，沉积温度160～170℃条件下沉积，经650～850℃热处理4～6h后材料的元素分布图；
图4是实施例3中电流密度3～4A/dm2，沉积温度150～160℃条件下沉积，经650～850℃热处理4～6h后的材料以及纯铜显微硬度图；
图5是实施例4中电流密度4～5A/dm2，沉积温度140～150℃条件下沉积，经650～850℃热处理4～6h后的材料以及纯铜极化曲线图。
具体实施方式
本发明的制备方法中采用以下方法进行处理：
(1)依次用320目、500目、1000目水磨砂纸将阴、阳电极材料打磨抛光至镜面光亮；
(2)将打磨后的阴极材料先用乙醇清洗，再用蒸馏水冲洗掉表面残留的乙醇，然后将阴、阳电极材料浸泡在热碱洗液中进行碱洗除去表面油污，将阴、阳电极材料取出后用蒸馏水清洗电极表面残留碱液；再将阴极材料极放入酸洗液中除去表面氧化膜，活化阴极；
(3)连接电路，打开直流电源，将阴、阳电极材料连接好后浸入电解液中进行沉积、电镀；
(4)将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理，热处理结束后即得铝铜合金材料；
其中所述的阳极材料为纯铝片，阴极材料为纯铜片。
实施例1
阴阳电极依次经过打磨抛光，碱洗除油，酸洗活化后浸入电解液进行电解。无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为4:1:1～5:1:1，电流密度0.5～2A/dm2，沉积温度170～180℃。沉积后的试样经650～850℃热处理4～6h。热处理后材料的晶体结构如图2所示，说明该工艺条件下得到了面心立方固溶体。同时XRD图谱中未发现其它杂峰，说明制得的铝铜合金具有较高纯度。该工艺合金的晶格常数为显微硬度123.47～127.04HV，腐蚀电流密度1.198×10-5～1.207×10-5A/dm2。
实施例2
阴阳电极依次经过打磨抛光，碱洗除油，酸洗活化后浸入电解液进行电解。无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为3:1:1～4:1:1，电流密度2～3A/dm2，沉积温度160～170℃。沉积后的试样经650～850℃热处理4～6h。热处理后材料的截面扫描电镜图片(SEM)以及元素分布如图3所示，元素分布图中除了Al、Cu外没有出现其他元素，说明制得的合金具有较高的纯度。此外合金层与基体金属之间没有出现任何裂缝，表明基体与合金具有较强的连接强度。图3显示合金层的厚度约为36μm。该工艺合金的晶格常数为显微硬度128.92～132.57HV，腐蚀电流密度6.731×10-6～6.739×10-6A/dm2。
实施例3
阴阳电极依次经过打磨抛光，碱洗除油，酸洗活化后浸入电解液进行电解。无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为3:1:1～5:1:1，电流密度3～4A/dm2，沉积温度150～160℃。沉积后的试样经650～850℃热处理4～6h。热处理后材料的显微硬度如图4所示，与纯铜(≥80HV)相比显微硬度提高了47.8～50.9％。该工艺合金的晶格常数为显微硬度117.66～120.72HV，腐蚀电流密度1.375×10-6～1.384×10-6A/dm2。
实施例4
阴阳电极依次经过打磨抛光，碱洗除油，酸洗活化后浸入电解液进行电解。无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为6:1:1～8:1:1，电流密度4～5A/dm2，沉积温度140～150℃。沉积后的试样经650～850℃热处理4～6h。热处理后材料极化曲线如图5所示，与纯铜(1.577×10- 5A/dm2)相比腐蚀电流密度下降了19.2～20％。该工艺合金的晶格常数为显微硬度128.95～131.94HV，腐蚀电流密度1.314×10-5～1.323×10-5A/dm2。

Claims (1)

1.一种铝铜合金材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)依次用320目、500目、1000目水磨砂纸将阴、阳电极材料打磨抛光至镜面光亮；
(2)将打磨后的阴极材料先用乙醇清洗，再用蒸馏水冲洗掉表面残留的乙醇，然后将阴、阳电极材料浸泡在热碱洗液中进行碱洗除去表面油污，将阴、阳电极材料取出后用蒸馏水清洗电极表面残留碱液；再将阴极材料放入酸洗液中除去表面氧化膜，活化阴极；
(3)连接电路，打开直流电源，将阴、阳电极材料连接好后浸入电解液中进行沉积、电镀；
(4)将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理，热处理结束后即得铝铜合金材料；
其中所述的阳极材料为纯铝片，阴极材料为纯铜片；所述的碱洗液配方为：NaOH5～15g/L、Na2CO3 25～45g/L、NaPO3 30～50g/L，碱洗液温度50～70℃，碱洗时间10～20min；酸洗液配方为：HCl 20～40g/L，酸洗活化时间1～2min；从碱洗液、酸洗液中取出的电极均用流动蒸馏水冲洗后吹干；所述的电解液中无水AlCl3、NaCl、KCl质量比为3:1:1～8:1:1，所述的进行沉积时其电流密度为0.5～5A/dm2，沉积温度为140～180℃；整个电镀过程中保持电解液搅拌，以确保熔盐成分及温度的均匀性；电镀结束后，将试样迅速放入水中超声清洗后吹干；所述的将电镀后的试样放入管式气氛炉中进行热处理步骤为：将电镀后的试样放入管式气氛炉，预先通1小时氩气置换出体系中的空气后以5℃/min的升温速度升温；热处理温度为650～850℃，保温4～6小时后降温至室温，整个过程中维持氩气流量80mL/min。。
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