表 6‑9常用变形铝合金的牌号、 化学成分、 力学性能及用途
2A14、2A50、2B50基本上是Al-Cu-Mg-Si合金，其中Mg和Si形成强化相Mg2Si相。这类合金的热塑性好，适宜进行锻造、挤压、轧制、冲压等工艺加工，主要用于制造要求中等强度、较高塑性及耐蚀零件的锻件或模锻件，如喷气发动机的压气机叶轮、导风轮及飞机上的接头、框架、支杆等；2A70、2A80、2A90基本上是Al-Cu-Mg-Fe-Ni合金，其中Fe和Ni形成耐热强化相Al9FeNi相。这三种合金的耐热强度依次递减，在300℃、100h下的持久强度分别为45MPa、40MPa、35MPa，主要用于制造在150～225℃工作温度范围内的铝合金零件，如发动机的压气机叶片、超音速飞机的蒙皮、隔框、桁条等。应该注意，2A14、2A50、2B50、2A70、2A80、2A90等合金都是经淬火 人工时效后使用，其淬火加热温度为500～530℃，人工时效温度为150～190℃。淬火后若在室温停留时间过长，由于有Mg2Si自然析出，会显著降低随后的人工时效强化效果。
（2）铝锰合金
这类合金是以Mn为主要合金元素，其中还含有适量的Mg和少量的Si和Fe。这些合金元素的主要作用是：Mn和Mg提高合金的耐蚀性和塑性，并起固溶强化作用；Si和Fe主要起固溶强化作用。铝锰合金锻造退火后为单相固溶体组织，耐蚀性高，塑性好，易于变形加工，焊接性好，但切削性差，不能进行热处理强化，常用冷变形加工产生加工硬化以提高其强度。常用变形铝锰合金的牌号有3A21（原LF21）、3003、3103、3004，其耐蚀性和强度均高于纯铝，用于制造需要弯曲、冲压加工的零件，如油罐、油箱、管道、铆钉等。
（3）铝镁合金
这类合金是以Mg为主要合金元素，再加入适量的Mn和少量的Si、Fe等元素。这些合金元素的主要作用是：Mg减小合金的密度、提高耐蚀性和塑性，并起固溶强化作用；Mn提高合金的耐蚀性和塑性，也起固溶强化作用；Si、Fe主要起固溶强化作用。和铝锰合金类似，铝镁合金锻造退火后也为单相固溶体组织，耐蚀性高，塑性好易于变形加工，焊接性好，但切削加工性差，不能进行热处理强化，常用冷变形加工产生加工硬化以提高其强度。常用变形铝镁合金的牌号有5A03（原LF3）、5A05（原LF5）、5B05（原LF10）、5A06（原LF6），它们的密度比纯铝小，强度比铝锰合金高，有较高的疲劳强度和抗振性，在航空工业中得到广泛应用，如制造管道、容器、铆钉及承受中等载荷的零件。
（4）铝锌合金
这类合金以Zn为主要合金元素，再加入适量的Cu、Mg和少量的Cr、Mn等元素，基本上是Al-Zn-Cu-Mg合金，其时效强化相除有θ及S相外，主要强化相有MgZn2（η相）和Al2Mg3Zn3（T相）。铝锌合金在时效时产生强烈的强化效果，是时效后强度最高的一种铝合金。铝锌合金的常用牌号为7A04（原LC4）和7A09（原LC9）。铝锌合金的热态塑性好，一般经热加工后，进行淬火 人工时效。其淬火温度为455～480℃，人工时效温度为120～140℃，7A04时效后的抗拉强度可达600MPa，7A09可达680MPa。这类铝合金的缺点是耐蚀性差，一般采用wZn=1%的铝锌合金或纯铝进行包铝，以提高耐蚀性。另外，耐热性也较差。铝锌合金主要用于要求重量轻、工作温度不超过120～130℃的受力较大的结构件，如飞机的蒙皮、壁板、大梁、起落架部件和隔框等，以及光学仪器中受力较大的结构件。
（5）铝锂合金
铝锂合金是近年来国内外致力研究的一种新型变形铝合金，它是在AlCu合金和Al-Mg合金的基础上加入0.9%～2.8%的锂和0.08%～0.16%的锆（质量分数）而发展起来的。已研制成功的铝锂合金有Al-Cu-Li系、Al-Mg-Li系和Al-Cu-Mg-Li系，它们的牌号和化学成分如表6-2所示。研究表明，铝锂合金中的强化相有δ′（Al3Li）相、θ′165（CuAl2）相和T1（Al2MgLi）相，它们都有明显的时效强化效果，可以通过热处理（固溶处理 时效）来提高铝锂合金的强度。铝锂合金具有密度低、比强度和比刚度高（优于传统铝合金和钛合金）疲劳强度较好、耐蚀性和耐热性好等优点，是取代传统铝合金制作飞机和航天器结构件的理想材料，可减轻重量10%～20%。目前，2090合金（Al-Cu-Li系）、1420合金（Al-Mg-Li系）和8090合金（Al-Cu-Mg-Li系）已成功用于制造波音飞机、F-15战斗机、EFA战斗机、新型军用运输机的结构件及火箭和导弹的壳体、燃料箱等，取得了明显的减重效果。
表 6‑10国内外常用铝锂合金的牌号和化学成分
金属的表面预处理工艺表面预处理就是利用某种工艺方法和手段，使工件的表面得到清理，或者使表面变得粗糙，以保证表面涂（镀）层与金属基体的有效结合。有时，人们又把表面预处理称为表面调整与净化。将采取各种加工方式使制品（或基材）表面达到一定表面粗糙度的过程称为表面精整。所有表面处理技术在工艺实施之前都必须对材料进行预处理，以便提高表面覆层的质量以及覆层与基材的结合强度。大量实践证明，预处理是表面处理工程技术能否成功实施的关键因素之一。
1.表面预处理的目的和内容表面预处理的好坏，不仅在很大程度上决定了各类覆盖层与基体的结合强度，往往还影响这些表面生长层的质量，如结晶粗细、致密度、组织缺陷、外观色泽及平整性等。干净的待加工表面也是保证其工艺过程顺利进行和得到高质量改性层的基础条件。金属原始表面一般覆盖着氧化层、吸附层及普通沾污层，如图3-2所示。表面预处理的主要内容就是选择适当的方法去除覆盖物，达到与各种表面技术要求相符的清洁度。
（1）对工件进行镀前预处理的目的对工件进行镀前预处理的目的主要有以下几个方面：
1）使工件表面几何形状满足涂镀层的要求，如表面整平或拉毛。
2）使工件表面清洁度满足涂镀层的要求，如除油等。
3）除去化学覆盖层或化学吸附层，包括除锈、脱漆、活化，这样才能获得良好的镀层。
（2）对工件进行镀前预处理的内容镀前预处理包括：整平、除油、浸蚀、表整四个部分。
1）整平主要是除去工件上的毛刺、结瘤、锈层、氧化皮、灰渣及固体颗粒等，使工件表面平整、光滑。整平主要采用机械方法，如磨光、机械抛光、滚光、喷砂等；化学抛光和电化学抛光用于除去微观不平。
2）除油又称脱脂。表面油污是影响金属表面处理质量的重要因素，油污的存在会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮、脱落。除去工件表面油污（包括油、脂、手汗及其他污物）使工件表面清洁的方法有化学除油、电化学除油、有机溶剂除油等。
3）浸蚀又称除锈。浸蚀就是除去工件表面的锈层、氧化皮等金属腐蚀产物。在电镀生产中一般是将工件浸入酸溶液中进行，故称为浸蚀。主要目的是除去锈层和氧化皮的工序称为强浸蚀，包括化学强浸蚀、电化学强浸蚀。除锈的方法有机械法、化学法和电化学法。
4）表整包括表调和表面活化。如磷化表调是增加磷酸钛胶体作为磷化结晶核；表面活化是除去工件表面的氧化膜，露出基体金属，以保证镀层与基体的结合力。表面活化也是在酸性溶液中进行，但酸的浓度低，故称为弱浸蚀。
图 6‑4金属原始表面示意图
1—普通沾污层 2—吸附层
3—氧化层 4—贝氏层
5—变形层 6—基体
- 表面预处理的重要性
良好的预处理对保证表面处理质量和性能至关重要。如以电镀件生产为例，在生产实际中，很多电镀件的质量事故（如镀层局部脱落、起泡、花斑、局部无镀层等）的发生并不是电镀工艺本身，而是由于镀前预处理不当和欠佳所造成的。镀前预处理的作用是：
（1）保证电极反应顺利进行电镀过程必须在电解液与工件被镀表面良好接触、工件被镀液润湿的条件下才能进行。工件表面的油污、锈层、氧化皮等污物，妨碍电解液与金属基体的充分接触，使电极反应变得困难，甚至因隔离而不能发生。
（2）保证镀层与基体的结合力在基体金属晶格上外延生长的镀层具有良好的结合力。外延生长要求露出基体金属晶格，任何油污、锈蚀、氧化膜等都会影响电结晶过程。当镀件上附着极薄的、肉眼看不见的油膜或氧化膜时，虽然能得到外观正常、结晶细致的镀层，但是结合强度大为降低，工件受弯曲、冲击或冷热变化时，镀层会开裂或脱落。
（3）保证镀层平整光滑工件表面粗糙不平，镀层也是粗糙不平的，难以用镀后抛光进行整平。粗糙不平的镀层不仅外观差，耐蚀性也不如平整光洁的镀层。工件上的裂纹、缝隙、砂眼处的污物难以去除，而且容易积藏碱和电解液，镀件在存放时就会渗出腐蚀性液层，使镀层出现“黑斑”或者泛“白点”，大大降低镀层的耐蚀性。
3.表面预处理的指标
表面清洁度与表面粗糙度是材料表面处理技术预处理工艺的两个最重要指标。清洁度表示零件或产品在清洗后在其表面上残留的污物的量。一般来说，污物的量包括种类、形状、尺寸、数量、重量等衡量指标。产品是由零件经过设备加工装配而成的，所以清洁度分为零件清洁度和产品清洁度。产品的清洁度与零件的清洁度有直接的关系，同时还与生产工艺过程、车间环境、生产设备及人员有密切的关系。表面粗糙度是指加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度。其两波峰或两波谷之间的距离（波距）很小（在1mm以下），它属于微观几何形状误差。表面粗糙度越小，则表面越光滑。表面粗糙度一般是受所采用的加工方法和其他因素影响，例如加工过程中刀具与零件表面间的摩擦、切屑分离时表面层金属的塑性变形以及工艺系统中的高频振动等。
表面预处理工艺目前生产中常用的预处理工艺通常分为以下几个步骤：
1.表面整平表面整平是指通过机械或化学方法去除材料表面的毛刺、锈蚀、划痕、焊瘤、焊缝凸起、砂眼、氧化皮等宏观缺陷，提高材料表面平整度的过程。表面整平除保障表面质量外，还起到装饰的作用。
2.脱脂脱脂是指用化学或电化学方法除去表面油脂。表面油脂是影响金属表面处理质量的重要因素，它会使表面涂层与基体的结合力下降，甚至使涂层起皮或脱落。
3.除锈（酸洗）除锈是指用化学或电化学方法除去金属表面的氧化皮或锈迹。常用的除锈方法有机械法、化学法和电化学法。
4.浸蚀用电化学方法露出基材表面的过程称为活化。活化的实质就是弱浸蚀，其目的就是露出金属的结晶组织，以保证涂层与基体之间结合牢固。基体预处理在表面处理中具有非常重要的地位和作用，具体表现如下：
1）为涂层加工做准备。例如，大型钢结构热喷涂锌和铝涂层制备时对预处理的要求是：喷砂处理、干燥，要求无灰尘、无油污、无氧化皮、无锈迹。化学镀镍涂层制备时对预处理的要求是：除油—除锈—水洗—闪镀，基体表面无油污、无锈迹、无铅、无锌等污染即可。
2）基体预处理能增加涂层的功能（防腐蚀、防磨损及特殊功能）。例如，对有磷化和无磷化处理的同一涂层进行盐雾试验，结果大约相差一倍。可见，除油、磷化等预处理对涂层的防锈能力起非常关键的作用。
3）增强涂层与基体的附着力。例如，某些涂料涂层及热喷涂层，基体的结合以机械力为主，这就要求预处理不仅要除油、除锈，还要表面粗化。表面粗化的目的有两个：一是增大涂层与基体的接触面积；二是增加涂层材料与基体表面的胶合作用，以加强涂层与基体的附着力。
表面预处理新技术- 超声波清洗
超声波是指频率高于16kHz的高频声波，常用频率范围为16～24kHz。超声波清洗以纵波推动清洗液，使液体产生无数微小的真空泡，当气泡受压爆破时，产生强大的冲击波对油污进行冲刷，以及由于气蚀引起的激烈的局部搅拌。同时，超声波反射引起的声压对液体也有搅拌作用。此外，超声波在液体中还具有加速溶解和乳化作用等。因此，对于采用常规清洗法难以达到清洗要求，以及形状比较复杂或隐蔽细缝的零件的清洗，效果会更好超声波清洗效果取决于清洗液的类型、清洗方式、清洗温度与时间、超声波频率、功率密度、清洗件的数量与复杂程度等条件。超声波清洗用的液体有有机溶剂、碱液、水剂清洗液等。最常用的超声波清洗脱脂装置主要由超声波换能器、清洗槽及发生器三部分构成，此外还有清洗液循环、过滤、加热及运输装置等。超声波清洗是一种新的清洗方法，操作简单，清洗速度快，质量好，所以被广泛应用。图3-3所示为超声波清洗机。
2.真空脱脂清洗
真空脱脂清洗是少无污染的新型清洗技术，采用的清洗剂是碳化氢系清洗剂，它对人体影响小，刺激性低，无臭。清洗效果达到三乙醇胺同等的清洗度，比碱液好，清洗剂又能回收与再生。真空脱脂清洗装置无公害，是封闭系统，而且安全系数高，生产率高，材料能自动装卸，操作方便。真空脱脂技术，不管是无清洗还是有液体清洗，其今后的应用必将更加广阔。
3.喷塑料丸退漆（涂料层）
飞机等重要大型构件涂（镀）层，在进行表面无损检测，寻找疲劳裂纹和硬性损伤时，首先要进行表面退掉涂料涂层处理（退漆）。传统的方法是用化学剂剥离或用砂轮手工打磨，但这两种方法都有缺点，如化学剥离法对金属基体存在腐蚀与损伤；用砂轮打磨易损伤基体，且退涂料涂层的效率很低。最近发展了喷塑料丸退漆新工艺，效果较好。喷塑料丸退漆是将颗粒状塑料，在压缩空气的作用下，通过喷枪高速喷射到工件表面，在塑料丸较锋利的棱角切割和冲撞击打双重作用下，使漆层表面发生割裂和剥离，从而达到高效退漆的目的。喷塑料丸退漆的主要优点是：由于塑料丸的硬度比漆层高，比基体或镀层与阳极化表面层硬度低，因此喷塑料丸退漆时既不会损伤基体，又不会对镀层等造成损伤，同时又为新漆层提供了清洁表面，有利于提高漆层结合力。塑料丸可回收循环使用，且易于与剥离下来的漆层分离。
4.空气火焰超声速喷砂、喷丸
超声速喷砂粗化是利用压缩空气作动力，将硬质砂粒高速喷射到基体表面，通过砂粒对表面的机械冲刷作用而使表面粗化。超声速喷砂速度为300～600m/s，喷砂的效率是通常喷砂的3～5倍以上，因此广泛应用于大型结构件的表面预处理，如桥梁、船舶、锅炉、输出管道等表面涂覆前的表面清理。此外，由于喷砂速度快、表面粗化效果好，常用于对喷涂效果要求高的零件或大型设备喷涂前的表面粗化，以及设备表面受各种自然污染较重（如油漆、水泥、有机与无机积垢）的表面清理。粗化处理在涂层制备工艺（如热喷涂、涂装及粘涂工艺）中，能增加涂层与基体的“锚钩”效应，减少涂层的收缩应力，从而提高涂层与基体的结合强度。喷砂所用的砂粒，要求硬度高、密度大、抗破碎性好、含尘量低，其粒度大小按所需的表面粗糙度而定。常用的砂粒有刚玉砂（氧化铝）、硅砂、碳化硅、金刚砂等。超声速表面喷丸是将大量超声速运动的弹丸喷射到工件表面，使其表面产生一定的塑性变形，从而获得一定厚度的强化层的工艺过程。
金属表而镀层技术电镀技术电镀工业历史久远，通过电镀，可以在机械零件及工艺品上获得保护装饰及有各种功能的镀层。通过电镀，可以提高金属的耐蚀性、耐磨性、装饰性及导电性、导磁性等。电镀还可以修复表面受磨损和破坏的工件。
电镀是利用电解的方式，使金属或合金沉积在工件表面，从而获得均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。电镀时待镀工件与电源负极相连作为阴极，浸入含有欲沉积金属离子的电解质溶液中，阳极为欲沉积金属的板或棒，某些电镀也使用石墨、不锈钢、铅或铅锑合金等不溶性阳极。电镀按施镀方式可分为挂镀、滚镀、连续电镀和刷镀等，可以根据镀件的尺寸和批量选择合适的电镀方式。其中，挂镀是最常见的一种电镀方式，电镀镀件悬挂在导电性能良好的挂具上，再浸入镀液中作阴极，适合于一般尺寸或尺寸较大的工件的电镀，如自行车的车把、汽车的保险杠等。滚镀也是一种常见的电镀方式，适用于小尺寸、大批量生产的零件的电镀，电镀时镀件置于多角形的滚筒中，依靠自身重力来接触滚筒内的阴极
电镀的工艺过程电镀的工艺过程一般包括电镀前表面预处理、电镀、电镀后处理三个阶段。
- 电镀前表面预处理
电镀前的表面预处理是为了获得洁净、有活性的基体金属，为获得高质量镀层做准备。预处理主要有磨光、脱脂、除锈、活化等。为了使工件表面粗糙度达到一定要求，可以先用磨光或抛光方法来，再用化学、电化学方法去除油脂；用机械、酸洗或电化学方法除锈；最后的活化处理一般是在弱酸中浸泡一段时间。
- 电镀
工业生产中，电镀的实施方式多种多样，根据镀件的形状、尺寸和批量的不同，可以采用不同的施镀方式。其中挂镀是最常见的一种施镀方式。适用于普通形状和尺寸及较大的零件。挂镀时零件悬挂于用导电性能良好的材料制成的挂具上，然后浸没在镀液中作为阴极，两边适当的位置放置阳极。
- 电镀后处理
电镀后处理主要有钝化处理、除氢处理、表面抛光。钝化处理是为了提高镀层的耐蚀性，还可以增加镀层光泽和抗污染能力。除氢处理是为了避免镀件产生氢脆，一般是在一定温度下热处理几个小时。表面抛光是对镀层进行精加工，降低表面粗糙度，使镀层获得镜面装饰性效果，还可以提高耐蚀性。
单金属和合金电镀1.单金属电镀
（1）镀锌
镀锌主要用于钢铁材料表面的防护性镀层。对钢铁材料来说，镀锌层是阳极镀层，兼有电化学保护和机械保护的双重作用，耐蚀性良好。镀锌层的防护能力与镀锌层厚度和孔隙率有关，镀层越厚，孔隙率越低，耐蚀性越好。镀锌层的厚度至少要满足零件在设计寿命期内的正常工作需要。一般镀锌层厚度为6～20μm，用于恶劣条件下的工件镀锌层厚度要在25μm以上。相同厚度的镀锌层，经过钝化处理后的防护能力提高了5～8倍。钝化膜还具有多种色彩，甚至可以获得香味镀锌。镀锌液分为碱性镀液、中性镀液和酸性镀液三种。碱性镀液有氰化物镀液、锌酸盐镀液和焦磷酸盐镀液等；中性镀液有氯化物镀液、硫酸盐光亮镀液等；酸性镀液有硫酸盐镀液、氯化铵镀液等。由于镀锌具有成本低、耐蚀性良好、美观和耐储存等优点，广泛应用于轻工、仪表、机械、农机、国防等领域。但镀锌层对人体有害，所以不宜用在食品工业中。
（2）镀铜
电镀铜主要用于以锌、铁等金属作为基体的材料。这些金属表面获得的镀铜层属于阴极镀层。当镀铜层有缺陷或受到破损，或有空隙时，在腐蚀介质的作用下，基体金属作为阳极会加快腐蚀，比未镀铜时腐蚀得更快。所以，单镀铜很少用于防护装饰性镀层，而是常作为其他镀层的中间镀层，以提高表面镀层金属和基体的结合力。采用厚镀铜（底层）加薄镀镍的镀层，可以减少镀层孔隙并减少镍的消耗。渗碳或渗氮时镀铜层还可以保护局部不需要渗碳和渗氮的部位，因为碳和氮在铜中的扩散和渗透很困难。钢丝上镀厚铜来代替铜导线，可以减少铜的消耗量。镀铜液的种类很多，有氰化物镀铜液、硫酸盐镀铜液、焦磷酸盐镀铜液、柠檬酸盐镀铜液、氨三乙酸镀铜液及氟硼酸盐镀铜液等。图6-5所示为电镀铜、银和金后的钢珠。
