基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法与流程

本发明属于铝合金加工技术领域，具体地说是一种采用热挤压与机械超声振动同步进行以提高铝合金耐蚀性的基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法。

背景技术：

与传统钢铁相比，铝合金具有密度轻，比模量和比强度高等优点，是广泛应用的轻质金属结构材料，在航空航天、轨道交通、国防军事、民用等领域具有广阔的应用前景。然而，尽管铝合金表面会形成一层较致密的氧化膜层，阻止铝的进一步氧化，但在潮湿空气等环境下铝合金的耐腐蚀性能依然较差，会导致工件的服役寿命降低，限制了它的发展与应用。因此，铝合金在使用时往往会进行表面处理，以提高表面的耐蚀性。

常用的铝合金表面处理技术包括电化学氧化、阳极氧化和化学氧化等。这些氧化技术并没有改变铝合金表面氧化膜的组成（氧化铝，al2o3），而是通过改变氧化膜层的致密度和厚度来实现提高铝合金表面耐蚀的目的。通常利用化学法或电化学法能够影响氧化反应程度，使得膜层的致密性显著提高。然而，这些膜层中依然会存在空隙，溶液介质及cl^-等活性阴离子能够通过空隙进入膜层内部，导致保护膜层的破坏以及内部铝基体的进一步腐蚀。此外，利用电化学氧化及阳极氧化等技术对铝合金工件的尺寸有限制，无法在较大工件或者例如长度较长的铝合金板材上实现，因此，期望开发一种简单便捷的耐蚀铝合金板材制备方法。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种采用热挤压与机械超声振动同步进行以提高铝合金耐蚀性的基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

一种基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法，其特征在于：该制备方法步骤如下：

a、均匀化处理：将铝合金铸锭进行均匀化处理；

b、热挤压：将均匀化处理后的铸锭通过板材挤压机进行热挤压获得热挤压板材；

c、机械超声振动处理：热挤压板材通过位于板材挤压机的板材出口处的机械超声振动处理装置的上下超声压头间隙时进行机械超声振动处理，超声压头的振动频率为20khz、最大接触压力为0.2～0.6n，获得具有均匀化和致密化的非晶-纳米晶氧化铝膜层的耐蚀铝合金板材。

所述步骤a中的均匀化处理的温度为450～500℃、时间为12～24h，均匀化处理完成后空冷。

所述步骤b中的板材挤压机的热挤压加工温度为350℃～450℃、挤压比为15～35。

所述步骤b中的板材挤压机的热挤压速率为15～30cm/min。

所述步骤b中的热挤压板材的厚度不低于0.5cm。

所述步骤c中的机械超声振动处理装置成对设置，两个机械超声振动处理装置的超声压头上下对称设置在板材挤压机的板材出口处。

所述步骤c中的超声压头的接触面为长方形。

所述步骤c中的超声压头的接触面的宽度为0.5cm。

所述步骤c中的热挤压板材在进行机械超声振动处理时，在超声压头的作用下，需要经过10000～20000次的循环振动。

所述步骤c中的耐蚀铝合金板材的表面形成有厚度为2～15μm的连续的非晶-纳米晶氧化铝膜层。

本发明的连续挤压制备方法的机理如下：本发明首先对铝合金铸锭采用均匀化处理和热挤压工艺，在板材挤压机的板材出口处设置具有上下对称设置的一组机械超声振动处理装置，机械超声振动处理装置的超声压头相对热挤压板材上下对称设置，超声压头之间的间隙随热挤压板材的厚度相应调节；当热挤压板材通过机械超声振动处理装置时，上下的超声压头在20khz的频率下与热挤压板材的上下表面进行机械超声振动作用。由于铝合金经过热挤压后，热挤压板材的表面会形成氧化铝氧化膜，其为非晶结构，随着氧化膜增厚，增厚的膜层转变为致密度较差的氧化铝晶态层。当热挤压板材经过机械超声振动处理装置时，在超声压头较小接触压力的高频振动作用以及高温下，一方面使疏松的氧化铝晶态层致密化；另一方面，高频振动产生的能量冲击使得氧化铝晶态层纳米化，并且由于刚挤压出的板材温度较高，该纳米化晶态层的厚度也逐渐增加。此外，由于所选用的超声压头最大接触压力较小，并不会对氧化铝膜层产生破坏作用；同时，热挤压速度根据超声压头的宽度（0.5cm）选定为15～30cm/min，能够保证铝合金板材经过10000～20000次的循环振动，有利于形成均匀化和致密化的非晶-纳米晶氧化铝膜层，从而提高铝合金板材的耐蚀性。

本发明相比现有技术有如下优点：

本发明的制备方法工艺简单，能够利用机械超声振动方法同步在热挤压板材表面快速形成高致密度氧化膜以提高铝合金耐蚀性，尤其是利用小载荷的机械超声作用使铝合金表面的氧化膜致密化和纳米化，消除空洞和疏松，不需要额外的表面处理技术的前提下，显著提高铝合金的耐蚀性；属于铝合金板材的连续制备方法，可获得长度不受限制的耐蚀铝合金板材。

本发明的制备方法能够在铝合金板材表面形成厚度为2～15μm的连续的非晶-纳米晶氧化铝膜层，由于纳米晶膜层的致密度和均匀性较常规氧化铝膜层显著提高，有效阻碍了活性介质向膜层中的渗透以及对膜层造成的损害，从而显著提高了铝合金板材的耐蚀性能，可长期在空气、弱酸性介质等环境下存放、输送和使用而不受腐蚀破坏。

附图说明

附图1为本发明的热挤压和机械超声振动处理同步连续进行原理图。

其中：1—均匀化处理后的铸锭；2—板材挤压机；3—热挤压板材；4—机械超声振动处理装置；41—超声压头；5—耐蚀铝合金板材。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示：一种基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法，该制备方法步骤如下：a、均匀化处理：将铝合金铸锭进行均匀化处理，均匀化处理的温度为450～500℃、时间为12～24h，均匀化处理完成后空冷；b、热挤压：将均匀化处理后的铸锭1通过板材挤压机2进行热挤压获得厚度不低于0.5cm的热挤压板材3，热挤压加工温度为350℃～450℃、挤压比为15～35、速率为15～30cm/min；c、机械超声振动处理：热挤压板材3通过位于板材挤压机2的板材出口处的机械超声振动处理装置4的上下超声压头41间隙时进行机械超声振动处理，超声压头41的振动频率为20khz、最大接触压力为0.2～0.6n，获得具有均匀化和致密化的非晶-纳米晶氧化铝膜层的耐蚀铝合金板材5。

在上述连续挤压制备方法中，步骤c中的机械超声振动处理装置4成对设置，两个机械超声振动处理装置4的超声压头41上下对称设置在板材挤压机2的板材出口处，超声压头41的接触面为长方形且接触面的宽度为0.5cm；当步骤c中的热挤压板材3在进行机械超声振动处理时，在超声压头41的作用下，需要经过10000～20000次的循环振动，使得耐蚀铝合金板材5的表面形成有厚度为2～15μm的连续的非晶-纳米晶氧化铝膜层。

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

将2xxx系铝合金铸锭在470℃均匀化处理20h，随后空冷；将空冷后的铸锭在400℃进行热挤压，挤压比为20、挤压速率为30cm/min，挤压后获得厚度为1.5cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.2n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例二

将2xxx系铝合金铸锭在450℃均匀化处理24h，随后空冷；将空冷后的铸锭在420℃进行热挤压，挤压比为15、挤压速率为15cm/min，挤压后获得厚度为2.4cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.6n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例三

将2xxx系铝合金铸锭在500℃均匀化处理12h，随后空冷；将空冷后的铸锭在350℃进行热挤压，挤压比为35、挤压速率为20cm/min，挤压后获得厚度为0.6cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.3n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例四

将2xxx系铝合金铸锭在460℃均匀化处理16h，随后空冷；将空冷后的铸锭在400℃进行热挤压，挤压比为25、挤压速率为30cm/min，挤压后获得厚度为1.2cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.2n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例五

将2xxx系铝合金铸锭在470℃均匀化处理18h，随后空冷；将空冷后的铸锭在400℃进行热挤压，挤压比为20、挤压速率为30cm/min，挤压后获得厚度为1.5cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.3n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例六

将2xxx系铝合金铸锭在480℃均匀化处理20h，随后空冷；将空冷后的铸锭在450℃进行热挤压，挤压比为20、挤压速率为20cm/min，挤压后获得厚度为1.5cm的热挤压板材；热挤压板材离开板材挤压机后即经过机械超声振动处理装置的上下超声压头之间的间隙，超声压头的接触面为长方形且接触面宽度为0.5cm，超声压头的振动频率为20khz、超声压头最大接触压力为0.4n，机械超声振动加工结束后即获得耐蚀铝合金板材。

实施例七

将2xxx系铝合金铸锭在470℃均匀化处理20h，随后空冷；将空冷后的铸锭在400℃进行热挤压，挤压比为20、挤压速率为30cm/min，挤压后获得厚度为1.5cm的热挤压板材。

实施例八

将2xxx系铝合金铸锭在470℃均匀化处理20h，随后空冷；将空冷后的铸锭在400℃进行热挤压，挤压比为20、挤压速率为30cm/min，挤压后获得厚度为1.5cm的热挤压板材；随后用砂纸对铝合金表面进行打磨，去除氧化膜。

对实施例一至实施例八按照国标金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法（gb10124-88）进行失重腐蚀速率测定，腐蚀条件为温度25℃、腐蚀液为3.5%nacl溶液、浸泡时间240h。将实施例一、实施例七和实施例八制备的铝合金板材的失重腐蚀速率进行对比，如表1所示。

表1实施例一、实施例七和实施例八制得的铝合金板材腐蚀速率对比

由表1可知，采用本发明所制备的铝合金板材因经过连续机械超声振动加工表面获得了均匀且致密的非晶-纳米晶氧化铝膜层结构，其耐蚀性得到显著提升，耐腐蚀性能为常规挤压获得的氧化膜层的三倍、为不含氧化膜层的铝合金板材的十二倍，远优于常规挤压获得的氧化膜层以及不含氧化膜层的铝合金板材的腐蚀性能。综上，本发明所公开的基于机械超声振动的耐蚀铝合金板材的连续挤压制备方法能够显著提升铝合金板材的耐腐蚀性。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。