本發(fā)明屬于材料表面宏觀顯斑技術領域，具體涉及一種金屬鋁工藝品的制備及表面快速顯斑的方法。

背景技術：

目前，國內在材料表面宏觀顯斑技術領域主要有云南斑銅工藝，斑銅藝人利用“鍛打”和“高溫燒斑”的工藝，使晶粒發(fā)生異常長大后形成粗晶及退火孿晶，制造了離奇閃爍、瑰麗斑駁的斑銅藝術品。

云南斑銅工藝采用純度達95％的自然銅，一點一點地鍛打，再用高溫來燒斑。其鍛打工序都是靠工廠師傅一錘一錘敲打出來，并且要燒一火，鍛打一次，總的來說，一件產品要燒幾十火，打幾萬錘才能最終成型，通過控制完成這種錘打及燒制的過程來促使晶粒異常長大形成粗晶及退火孿晶進而顯斑。云南斑銅表面顯斑工藝其所耗費的人力、物力、財力都比較大，工藝過程復雜不符合現(xiàn)代生產理念，因此實現(xiàn)快速、經濟的顯斑技術是目前急于解決的技術“瓶頸”。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種金屬鋁工藝品的制備及表面快速顯斑的方法，實現(xiàn)快速、高效顯斑，解決了傳統(tǒng)斑銅工藝耗時耗力的問題。

本發(fā)明所采用的技術方案是，一種金屬鋁工藝品的制備及表面快速顯斑的方法，包括以下步驟：

步驟1：根據所想要做的金屬鋁工藝品設計出模具；

步驟2：將金屬鋁塊在加熱爐中熔化；

步驟3：做砂型鑄造：混砂、造型、取模、烘干，將熔化好的鋁液澆鑄在模型中，自然冷卻成型，控制過冷度為800-810℃；

步驟4：采用機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再打磨工藝品表面；

步驟5：采用硝酸、鹽酸和無水乙醇溶液的混合溶液對步驟4的工藝品表面進行浸蝕，直至工藝品表面顯示出晶斑。

本發(fā)明的特點還在于：

優(yōu)選地，硝酸、鹽酸和無水乙醇的體積比為1:1:(3-4)。

優(yōu)選地，硝酸為質量分數(shù)為69.2％的濃硝酸，鹽酸為質量分數(shù)為37％的濃鹽酸。

優(yōu)選地，鋁液澆鑄溫度為820-830℃。

本發(fā)明的原理是：對于金屬鋁工藝品的表面宏觀晶斑，從微觀組織學來講，通過鑄造工藝控制可獲得大小不同的等軸晶和樹枝晶形貌，如圖1所示。由于表面宏觀的等軸晶和樹枝晶形貌大小受過冷度控制，加之晶體組織會隨著過冷度的降低而過分長大，控制好恰當?shù)倪^冷度使其凝固能夠發(fā)生并且獲得粗大晶粒，得到晶粒形貌大小不一、層次分明的工藝品粗品，再通過硝酸、鹽酸和乙醇混合而成的化學試劑使晶斑顯現(xiàn)出來，從而制作出具有立體效果、瑰麗斑駁的工藝品，如圖2所示。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明方法借助了鑄造和快速腐蝕的共同作用。本發(fā)明工藝品的制備過程中，由于澆鑄后工藝品冷卻速度不同，因此材料表面宏觀獲得的晶粒形貌大小不一、層次分明，同時金屬鋁本身抗氧化性能優(yōu)異，從而制作出具有立體效果、瑰麗斑駁、可永久擺放的現(xiàn)代工藝品。不僅金屬鋁工藝品顯斑成本有所降低，而且工藝時間大大縮短。本發(fā)明的顯斑方法只需要兩分鐘左右就能有效的實現(xiàn)顯斑，獲得美麗的材料表面宏觀等軸晶和樹枝晶形貌，實現(xiàn)了快速、高效顯斑，選材經濟，工藝簡單，達到了節(jié)能并降低成本的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明腐蝕后的表面宏觀晶斑形貌模擬圖；

圖2是與圖1相對應的實際工藝品外形圖；

圖3是晶粒形貌大小不一、層次分明的工藝品圖；

圖4為晶粒細小以及出現(xiàn)腐蝕過度現(xiàn)象的工藝品圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明并不限于這些實施方式。

本發(fā)明的金屬鋁工藝品的制備及表面快速顯斑的方法，具體包括以下步驟：

步驟1：根據所想要做的金屬鋁工藝品設計出模具；

步驟2：將金屬鋁塊在加熱爐中熔化；

步驟3：做砂型鑄造：混砂、造型、取模、烘干(將砂模置于烘干箱中烘干)、澆注、自然冷卻，控制過冷度為800-810℃；

不同層次的等軸晶、樹枝晶形成過程：把熔化的鋁緩慢注入模腔，由于熔化的鋁溫度高，澆注后作品底部砂模部分一直受高溫的影響，此處砂模的溫度升高，導致模腔的溫度從上至下逐漸降低，而過冷度從上至下逐漸增加，從而獲得了作品從底部至上，晶粒逐漸減小，形成了晶粒大小不一、層次分明的藝術作品。

步驟4：采用機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再用不同粒度的砂紙打磨工藝品表面；

步驟5：將硝酸、鹽酸和無水乙醇溶液按1:1:(3-4)的體積比配合而成的混合溶液對澆注產品進行腐蝕，期間不斷觀察腐蝕情況(防止因腐蝕過度而造成的晶粒形貌缺失)。鋁為耐蝕性材料，通常采用濃硝酸、濃鹽酸強酸進行浸蝕，但由于強酸浸蝕性太強、浸蝕容易過度，本發(fā)明采用的混合酸中有無水乙醇的添加，不僅稀釋了濃度，而且降低的了廢液的濃度，符合環(huán)保意識。

實施例1

本實施例制備一種純鋁工藝品，具體步驟如下：

1)使用ug軟件設計工藝品模型，再用3d打印技術制模具；

2)將純度為98.8％～99.7％的純金屬鋁塊在熱處理加熱爐中830℃進行熔化，過冷度為810℃(熔化溫度與室溫溫度之差)。

3)做砂型鑄造：混砂、造型、烘干、取模、烘干、澆注，澆注時將作品底部的砂模朝上，將熔化的830℃的鋁緩慢注入模腔，冷卻；砂模處于室溫20℃，此時的過冷度為810℃。

4)采用車床和銼刀機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再用180#、240#、400#、600#、800#砂紙從粗到細進行逐次打磨工藝品表面，使其表面粗糙度降低。

5)將質量分數(shù)為69.2％的濃硝酸、質量分數(shù)為37％的濃鹽酸和無水乙醇溶液按1:1:3體積比配合而成的混合溶液對產品進行浸蝕，期間不斷觀察腐蝕情況。

結果：腐蝕2分鐘左右開始顯斑，腐蝕5分鐘后，金屬鋁工藝品底部表面出現(xiàn)了粗大的晶斑，由底部逐漸向上形成了大小不等的等軸晶、樹枝晶等不同層次的晶斑，但也出現(xiàn)極少部分黑色晶斑，模糊不清。

實施例2

本實施例制備與實施例1相同的純鋁工藝品，具體步驟如下：

1)使用ug軟件設計工藝品模型，再用3d打印技術制模具；

2)將純度為98.8％～99.7％的純金屬鋁塊，在熱處理加熱爐中820℃進行熔化，實際過冷度為800℃。

3)做砂型鑄造：混砂、造型、烘干、取模、烘干、澆注，澆注時將作品底部的砂模朝上，將熔化的820℃的鋁緩慢注入模腔，冷卻；砂模處于室溫20℃，此時的過冷度為800℃，過冷度較實施例1明顯降低，更有利于粗大等軸晶的形成。

4)采用車床和銼刀機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再用180#、240#、400#、600#、800#砂紙從粗到細進行逐次打磨工藝品表面，使其表面粗糙度降低。

5)將質量分數(shù)為69.2％的濃硝酸、質量分數(shù)為37％的濃鹽酸和無水乙醇溶液按1:1:4體積比配合而成的混合溶液對產品進行腐蝕，期間不斷觀察腐蝕情況，腐蝕5分鐘后結束。

結果：腐蝕2分鐘左右開始顯斑，腐蝕5分鐘后，金屬鋁工藝品不僅底部表面晶斑粗大可見，由底部逐漸向上出現(xiàn)大小不等的等軸晶、樹枝晶等不同層次的晶斑(見圖3)，閃閃爍爍，外觀效果理想。

對比例1

本實施例制備與實施例1相同的純鋁工藝品，具體步驟如下：

1)使用ug軟件設計工藝品模型，再用3d打印技術制模具。

2)將純度為98.8％～99.7％的純金屬鋁塊，在熱處理加熱爐中850℃進行熔化。

3)做砂型鑄造：混砂、造型、烘干、取模、澆注，澆注時將作品底部的砂模朝上，將熔化的850℃的鋁緩慢注入模腔，冷卻；砂模處于室溫20℃，此時的過冷度為830℃。

4)采用車床和銼刀機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再用180#、240#、400#、600#、800#砂紙從粗到細進行逐次打磨工藝品表面，使其表面粗糙度降低。

5)將質量分數(shù)為69.2％的濃硝酸、質量分數(shù)為37％的濃鹽酸和無水乙醇溶液按1:1:1體積比配合而成的混合溶液對產品進行腐蝕，期間不斷觀察腐蝕情況。

結果：腐蝕3分鐘后，金屬鋁工藝品表面不但沒有出現(xiàn)晶斑(僅作品的底部由于晶粒較粗大，不易腐蝕，可觀察到部分晶粒)，而且出現(xiàn)黑化現(xiàn)象(腐蝕過度，見圖4)。尤其是作品的上部分，由于過冷度較大，形成了較細小的晶粒，容易受腐蝕，加之浸蝕劑濃度較大。因此，出現(xiàn)了腐蝕過度現(xiàn)象。

對比例2

本實施例制備與實施例1相同的純鋁工藝品，具體步驟如下：

1)使用ug軟件設計工藝品模型，再用3d打印技術制模具。

2)將純度為98.8％～99.7％的純金屬鋁塊，在熱處理加熱爐中840℃進行熔化，過冷度為820℃。

3)做砂型鑄造：混砂、造型、烘干、取模、澆注，澆注時將作品底部的砂模朝上，將熔化的840℃的鋁緩慢注入模腔，冷卻；冷卻；砂模處于室溫20℃，此時的過冷度為820℃。

4)采用車床和銼刀機加工手段將鑄造產品中多余不合格部分去掉，再用180#、240#、400#、600#、800#砂紙從粗到細進行逐次打磨工藝品表面，使其表面粗糙度降低。

5)將質量分數(shù)為69.2％的濃硝酸、質量分數(shù)約為37％的濃鹽酸和無水乙醇溶液按1:1:2體積比例配合而成的混合溶液對產品進行腐蝕，期間不斷觀察腐蝕情況。

結果：腐蝕3分鐘后，由于過冷度有所降低，本例與對比例1的腐蝕程度相比較略有改善，但表面晶斑十分細小，不明顯。

與對比例1、2相比，實施例1、2之所以能過獲得較理想的晶斑，主要有兩個方面，一方面降低澆注溫度使過冷度降低，有利于粗大等軸晶的形成(但如果澆注溫度繼續(xù)降低，則會導致流動性降低，影響作品的成形)。另一方面，腐蝕劑的酸濃度降低，雖然腐蝕時間需要加長(晶粒粗大，耐蝕性增強)，浸蝕效果容易掌控，回收的廢酸危害性明顯大大降低?？梢?，過冷度和腐蝕劑的控制對本發(fā)明方法的成功與否都有很密切的關系。

與本發(fā)明金屬鋁工藝品的制作方法相比較，云南斑銅制作工藝復雜，需要多次、甚至幾百次以上的鍛打退火形成。而本工藝品制作相對簡單，并一次性澆注即可形成，同時通過控制凝固時的過冷度，可獲得晶斑不但大小不同，由底部往上晶粒逐漸遞減，晶粒大小層次分明，銀光閃爍，枝晶形貌明顯可見(見圖2)，凸顯了作品的表面立體感。這是云南斑銅所不及之處。

采用本發(fā)明所述的方法進行的顯斑，是材料人在材料科學領域運用材料科學的方法將微觀組織通過表面宏觀形貌展現(xiàn)出來的一大進步，使人們對控制材料顯微組織的重要性有了更加深刻的認識，這將是推動現(xiàn)代材料科學領域發(fā)展的一次偉大飛躍。同時，時代在不斷地變遷，但人本身所具有的對“美”和“真”的追求卻并沒有改變；審美是知覺力、感受力、想像力、判斷力、創(chuàng)造力的綜合，隨著國家經濟水平飛速發(fā)展，人類生活水平大幅度提高，伴隨著審美水平也不斷提高，采用本發(fā)明制作的工藝品，使工藝品領域多材多樣，很大程度上詮釋了美的新概念，這是工藝品本質的轉型，更是人類審美境界的提升。最關鍵的是，創(chuàng)新乃是國家發(fā)展的源動力，隨著社會的發(fā)展，自主創(chuàng)新能力成了現(xiàn)代知識分子的一個重要特征，知識分子運用所掌握的專業(yè)知識將理論與實踐結合起來，解決實際問題，服務社會，造福人類，實現(xiàn)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，緩解就業(yè)壓力，推動經濟發(fā)展。