CN100563874C - 用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，包括以下几步：第一步：将铝合金加热至熔化，加入氢化钛，搅拌使氢化钛分散，再加入钙至铝合金熔液中，以搅拌，以增加熔体的黏度，将搅拌后的熔体冷却，获得预制件；第二步：将上述预制件放入模具，再加热升温，并在该温度下保温，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得泡沫铝合金制品。在第二步中升温二次泡沫化前，先将一次泡沫化铝合金预制件和模具预热保温。本发明在加入增黏剂钙之前，先加入氢化钛，铝合金熔体的黏度较低，有利于氢化钛在较短的时间内在铝合金熔体中的均匀分散，有利于制备均匀孔结构大尺寸泡沫铝合金异型件。

Description

用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝合金制品的制备方法，尤其涉及一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法。

背景技术

闭孔泡沫铝合金由于特殊的孔隙结构，实现了结构材料轻质、多功能化，已成为当前的热点材料之一。由于汽车等民用及高技术领域的需求，泡沫铝异型件、三明治结构正成为泡沫金属制备领域中的前沿。传统的熔体发泡法直接制备异型件、三明治结构、泡沫铝合金填充件、预埋件等方面存在着难以逾越的困难，而粉末冶金法制备泡沫铝异型件、三明治结构等方面则存在成本高、工艺不稳定等缺陷。而申请人等新发展的二次泡沫化制备泡沫铝合金异型件的方法，克服了上述方法的缺点，然而在制备较大尺寸泡沫铝合金异型件时，其孔隙率仍然难以均匀，它的主要问题在于：其先增粘后加氢化钛的制备方法在制备较大尺寸的泡沫铝合金异型件时，氢化钛在其中的不均匀分布导致在二次发泡时，局部氢化钛过多易导致局部放气量过多而形成集中缩孔。此外，由于在二次泡沫化过程中具有较大尺寸的泡沫铝合金预制件受热不易均匀，也容易导致二次泡沫化获得的泡沫铝合金制品孔结构不均匀。

发明内容

本发明提供一种方法简单、在制备较大尺寸的泡沫铝合金异型件时可获得均匀孔结构的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，该方法简单、成本低，方法可靠，特别适用于制备较大尺寸的孔结构均匀的泡沫铝合金异型件的场合。

本发明采用如下技术方案：

一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，并调节温度至630℃-680℃，加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以500～800rpm的速度搅拌60～500秒使氢化钛分散，再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，以300-500rpm的速度搅拌1-12分钟，以增加熔体的黏度，将搅拌后的熔体冷却，获得孔隙率低于70％的一次泡沫铝化合金预制件；

第二步：将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件放入模具，再加热升温到685℃～1200℃的温度，并在该温度下保温2～40分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得泡沫铝合金制品。

本技术方案中，上述第二步中，保温温度为750-950℃，温度更适中。在第二步中升温二次泡沫化前，先将一次泡沫化铝合金预制件和模具预热至300℃-550℃，并在此温度下保温0.5-30分钟，在第二步中的模具具有复杂形状内腔，从而获得外廓具有均匀孔结构的复杂形状的泡沫铝合金异型件。可在第一步冷却前将具有特定外部形状的预埋件放入泡沫铝合金熔体，从而获得带有预制件的泡沫铝合金异型件。所述铝合金为铝硅合金或者铝铜合金或者铝镁合金中的一种。所述铝铜合金为牌号为ZL201的铝合金。所述铝镁合金为牌号为ZL301的铝合金。氢化钛的加入量为铝合金重量的0.5％-3％。

发明原理：

本发明所用的实质是二次泡沫化方法，它的优点在于：本发明利用因氢化钛在一次泡沫化过程中分解不完全而残余的氢化钛分解产生的氢气，使得受热熔化后的铝合金熔体二次泡沫化，获得泡沫铝合金；本发明利用氢化钛热分解量与温度紧密相关的特点，通过控制一次热分解温度为630-680℃从而控制了氢化钛热分解量。本发明无需对氢化钛作任何处理，因而简化了工艺过程，降低了成本。本发明中本发明无需对于之间进行压制，因而方法简单，成本低。相对而言，粉末冶金法等其它方法需要通过压力压制致密化因而成本较高。本发明中由于一次泡沫化铝合金预制件已经具有一定的孔隙率，使得泡沫铝合金的排液速度受到抑制，因而获得的二次泡沫化铝合金的孔结构比较均匀。本发明通过控制一次泡沫化温度控制氢化钛热分解量，对二次泡沫化时间控制要求相对比较宽，因而，可以采用足够长的搅拌时间，使得氢化钛在泡沫铝合金中分散均匀，从而使得二次泡沫化制备的泡沫铝合金制品孔结构均匀。本发明在钙增粘的熔体发泡法基础上发展而来的，钙增粘的机理与碳化硅陶瓷颗粒增粘的机理有所不同，钙加入铝合金熔体后产生的增粘作用的主要是金属间化合物；钙增粘的铝合金熔体通过搅拌过程中反应获得分布均匀的金属间化合物，因而具有粘度均匀的特点，这些金属间化合物在热压以及再加热的过程中分布依然是均匀的，因而容易获得孔结构均匀的二次泡沫化铝合金；而碳化硅陶瓷增粘的泡沫铝合金，分布不易均匀，因而制备的泡沫铝合金不易均匀，此外由于碳化硅陶瓷颗粒自身不稳定性也会导致产品质量问题。由于常规一次泡沫化条件下剩余的氢化钛在再加热过程中能够产生足够的氢气，因而本发明可制备较高孔隙率(孔隙率范围50～90％)的二次泡沫化泡沫铝合金异型件、三明治结构、泡沫铝合金填充球、带有预埋件的泡沫铝合金制品等。泡沫铝合金异型件、三明治结构、泡沫铝合金填充球、带有预埋件的泡沫铝合金制品具有高的强度和刚度以及高能量吸收的特点，具有重要的应用前景。本发明对铝板以及预制件进行表面处理，去除铝表面的氧，从而使得板芯结合牢固，从而提高了结构的力学性能。对较低孔隙率的一次泡沫化铝合金预制件加热，可使得二次泡沫化铝合金预制件熔化，同时其中残余的氢化钛分解产生氢气使其泡沫化，获得二次泡沫化泡沫铝合金，提高加热温度，可使得预制件加热速度提高，从而减少氢气的损失量，还可以进一步提高氢化钛的分解量，进而提高泡沫铝合金孔隙率。本发明可以制造带有表皮的具有复杂外表形状的泡沫铝合金异型件，可以制备以泡沫铝合金为夹芯的三明治结构，可以制备泡沫铝合金填充球(所谓泡沫铝合金填充球是指，泡沫铝合金制品的外形轮廓为球形，并带有一层表皮，其作用为，需填充具有复杂形状的空间时，用这些相对尺寸较小的泡沫铝合金填充球填充进这些空间，同样可以起到减振吸能的效果)，还可制备带有预埋件的各式泡沫铝合金制品，而且方法简单，成本低。

采用上述技术方案后，本发明获得如下技术效果：

1.本发明直接在熔化后的铝合金溶液中加入氢化钛粉末，氢化钛粉末容易在熔体中分散均匀。相对于现有的二次泡沫化技术制备泡沫铝合金制品(或异型件)而言，现有技术先将其增黏到能够制备泡沫铝合金的黏度，再加入氢化钛，进行搅拌，由于黏度较大，氢化钛不易分散均匀；此外，在现有二次泡沫化技术中，增黏后的熔体加入氢化钛以后，形成了大量较稳定的气泡，因而进一步阻止了氢化钛在熔体中的均匀分散，即使采用了较高的转速也不能缓解这样的问题，尤其是在制备较大尺寸的泡沫铝合金预制件和异型件时。而本发明在加入增黏剂钙之前，先加入氢化钛，它的优点在于：这时铝合金熔体的黏度较低，有利于氢化钛在较短的时间内就可以在铝合金熔体中的均匀分散。由于铝合金熔体处于630℃-680℃之间，因而它虽然具有较低的黏度，但仍然具有适当的黏度抑制氢化钛的下沉过程；同时，由于其黏度尚未达到形成较稳定的泡沫的程度，因而其一次分解产生的气体很快的逃逸，对于熔体的黏度影响不大，因而避免了由于形成较稳定的气泡群而阻止氢化钛的进一步分散均匀。氢化钛的均匀分散为二次泡沫化制备较大尺寸的泡沫铝合金异型件奠定了重要基础。在对较大尺寸的一次泡沫化铝合金预制件加热的过程中，氢化钛的均匀分散将使得制备的较大尺寸的泡沫铝合金异型件孔隙率更加均匀。

2.本发明由于在加入钙增黏剂加入之前加入发泡剂氢化钛，使其分散更容易均匀。该技术措施还具有以下优点：使用较低速度的搅拌即可达到目的，避免了采用现有技术中的高速搅拌的技术措施，现有技术中的高速搅拌使得铝合金熔体更加粘稠，更不利于氢化钛的分散均匀，同时高速搅拌使得工艺更加复杂，不利于降低成本；制备预制件搅拌时间缩短，减低了能耗和工艺成本；由于搅拌时间的减少，单位质量氢化钛的分解量减少，在二次泡沫化过程中能够产生更多的放气量，因此该措施可以减少氢化钛的用量，甚至不超过3％。

3.本发明将泡沫铝合金预制件在二次泡沫化之前在300℃-550℃下先预热一段时间，在这段时间内，在该温度下，根据氢化钛热分解动力学以及铝合金的相图，氢化钛不会发生分解。当预制件尺寸较大时(制备较大尺寸的泡沫铝合金预制件时，受热不均匀容易导致外部的预制件先泡沫化，而内部的泡沫铝合金还没有泡沫化，这样不仅会导致先泡沫化的泡沫首先坍塌，而且会导致泡沫铝合金会非常不均匀)，该预热过程使得泡沫铝合金预制件在升高到较高的二次泡沫化温度的受热时间更短，从而更加有利于制备均匀孔结构的泡沫铝合金异型件。而较高的预热温度，譬如400-550℃：可使得二次泡沫化升温时间变短，从而更加有利于获得均匀孔结构。由此可见，该方法可进一步有利于在制备大尺寸泡沫铝合金异型件获得均匀孔结构。

4.二次发泡温度为750-1000℃，该温度适中，既有利于放出足够的氢气量，温度也不至于过高而导致熔体产生收缩。

5.采用ZL201合金它具有较高的强度，其固相线温度和液相线温度适中，更适合本技术方案的工艺条件。

6.采用ZL301合金它具有较高的强度，其固相线温度和液相线温度适中，还使得该铝合金具有一定的耐腐蚀性，适合本技术方案的工艺条件。

附图说明

图1为本发明二次泡沫化制备的较大尺寸的泡沫铝合金局部孔结构图(孔隙率82％)

图2为原二次泡沫化制备的较大尺寸的泡沫铝合金异型件的局部缺陷图

具体实施方式

实施例1

一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，其中，铝合金如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以是铸造铝铜系合金，牌号如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以是主要含铜或者主要含硅的变形铝合金，还可以是含镁的铝合金，如ZL301、ZL302等，并调节温度至630℃-680℃，温度可以为635℃，642℃，650℃，660℃，665℃，670℃，675℃，加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，氢化钛的加入量可以选取为0.8％，1.2％，1.5％，2.0％，2.8％，3.5％，4.2％，4.7％，以500～800rpm的速度搅拌60～500秒使氢化钛分散，例如可以选取为500rpm，600rpm，700rpm，750rpm，搅拌时间可以选取为：70s，90s，150s，250s，400s，550s，再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，以300-500rpm的速度搅拌1-12分钟，0.8％，1.2％，1.5％，2.0％，2.8％，3.5％，4.2％，4.7％，搅拌速度可以选取为350rpm，400rpm，450rpm，搅拌时间可以选取为：1分钟，2分钟，2.5分钟，3分钟，8分钟，10分钟，11分钟，使Ca在熔体中分布均匀并增加熔体的黏度，将搅拌后的熔体冷却，获得孔隙率低于70％的一次泡沫铝化合金预制件，例如孔隙率为60％，55％，54％，52％，45％，39％，35％，28％，22％，18％，15％；

第二步：将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件放入模具，再加热升温到685℃～1200℃的温度，并在该温度下保温2～40分钟，保温温度可以选取为690℃，695℃，720℃，730℃，750℃，800℃，850℃，880℃，950℃，1000℃，1150℃，保温时间可以选取为5分钟，8分钟，12分钟，20分钟，27分钟，33分钟，38分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，可以获得泡沫铝合金制品。其中冷却方式可采用各向同时冷却的方式。

实施例2

一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，其中，铝合金如ZL101，ZL102，ZL111系列合金，也可以是铸造铝铜系合金，牌号如ZL201，ZL202，ZL205系列合金，也可以是主要含铜或者主要含硅的变形铝合金，还可以是含镁的铝合金，如ZL301、ZL302等，并调节温度至630℃-680℃，温度可以为635℃，642℃，650℃，660℃，665℃，670℃，675℃，加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，氢化钛的加入量可以选取为0.8％，1.2％，1.5％，2.0％，2.8％，3.5％，4.2％，4.7％，以500～800rpm的速度搅拌60～500秒使氢化钛分散，例如可以选取为500rpm，600rpm，700rpm，750rpm，搅拌时间可以选取为：70s，90s，150s，250s，400s，550s，再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，以300-500rpm的速度搅拌1-12分钟，0.8％，1.2％，1.5％，2.0％，2.8％，3.5％，4.2％，4.7％，搅拌速度可以选取为350rpm，400rpm，450rpm，搅拌时间可以选取为：1分钟，2分钟，2.5分钟，3分钟，8分钟，10分钟，11分钟，使Ca在熔体中分布均匀并增加熔体的黏度，将搅拌后的熔体冷却，获得孔隙率低于70％的一次泡沫铝化合金预制件，例如孔隙率为60％，55％，54％，52％，45％，39％，35％，28％，22％，18％，15％；

第二步：将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件放入模具，再加热升温到685℃～1200℃的温度，并在该温度下保温2～40分钟，保温温度可以选取为690℃，695℃，720℃，730℃，750℃，800℃，850℃，880℃，950℃，1000℃，1150℃，保温时间可以选取为5分钟，8分钟，12分钟，20分钟，27分钟，33分钟，38分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，可以获得泡沫铝合金制品。其中冷却方式可采用各向同时冷却的方式。

本实施例中，在第二步中升温二次泡沫化前，先将一次泡沫化铝合金预制件和模具预热至300℃-550℃，并在此温度下保温0.5-30分钟，例如温度为，350℃，400℃，450℃，500℃，时间分别可以为：28分钟，20分钟，16分钟，15分钟，10分钟，8分钟，5分钟，2分钟，在第二步中的模具具有复杂形状内腔，从而获得外廓具有均匀孔结构的复杂形状的泡沫铝合金异型件。可在第一步冷却前将具有特定外部形状的预埋件放入泡沫铝合金熔体，从而获得带有预制件的泡沫铝合金异型件。所述铝合金为铝硅合金或者铝铜合金或者铝镁合金中的一种。所述铝铜合金为牌号为ZL201的铝合金。所述铝镁合金为牌号为ZL301的铝合金。

本实施例中，模具是带有空腔的模具，其形状根据实际需要来设定，可以是球形、圆柱形、方柱形，或者不规则的抛物面等，同时可根据需要制备以泡沫铝合金为夹芯三明治结构、带有预埋件的其他泡沫铝合金制品，该泡沫铝合金制品可以有各种形状和尺寸，用做能量吸收和承载、阻尼、减振等多方面的填充件、结构件和功能件。泡沫铝合金填充件的外形轮廓得改变主要通过对模具内腔形状的改变来实现，而对二次泡沫化制备的泡沫铝合金孔隙率的控制主要通过对预制件质量大小来控制，即通过对一次泡沫铝合金预制件质量大小的控制实现对泡沫铝合金异型件平均孔隙率的控制，预制件质量与二次泡沫化制备的泡沫铝合金孔隙率的关系为：Prb＝1-m/(ρV)，其中，Prb为二次泡沫化制备的泡沫铝合金平均孔隙率，m为一次泡沫化铝合金预制件的质量，ρ为铝合金的密度，V为模具内腔的体积。例如，铝的密度可以取为2780千克每立方米，一次泡沫铝合金预制件可以选取为68克，模具内腔的体积为163000立方毫米，而此泡沫化制备的泡沫铝合金填满整个模具内腔，其平均孔隙率为85％。

本实施例中，为获得带有表皮的泡沫铝合金异型件，异型中空模具的的模腔中空形状可以是任意形状，包括规则形状和不规则形状，可以是球形、圆柱形、方柱形，或者不规则的抛物面，实施时，可将预制件预先摆放在需要填充泡沫铝合金的模具或零件的中空部分；

本实施例中，在第一步后，将预埋件植入上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件中，并将预制件放置于模具中，在700℃～1200℃的温度下保温3～40分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得带有预埋件的泡沫铝合金制品。该预埋件可以为内螺纹，螺丝孔等，材料通常是钢、铜质，也可以是具有一定形状的模具。

本实施例中，在第二步中将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金放置于具有球形空腔的模具中，在700℃～1200℃的温度下保温3～40分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得外廓为球形的泡沫铝合金制品。该泡沫铝合金球带有表皮，对于一些不规则需要填充泡沫铝合金的场合，可以用具有较小尺寸(如1cm-5cm)等尺寸的泡沫铝合金球来填充，方法更简单。

本实施例中，在第二步中，将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件做表面除氧处理，表面处理与铝合金表面除氧处理的方法类似，可采用酸洗和碱洗相结合，再采用铬酸洗涤，然后将表面除氧处理过的铝板或者铝合金板放置于预制件的表面，再将其放入模具中，必要时，加氩气、氮气或者二氧化碳等惰性气体保护模具内的预制件，以避免其进一步氧化，使预制件及表皮处于700℃～1200℃的温度下保温3-40分钟，从而获得带有更厚表皮的泡沫铝合金制品，如板芯牢固结合的以铝或铝合金为面板，泡沫铝合金为夹芯的三明治结构、带有厚表皮的具有复杂外形的填充件，表皮所用的泡沫铝合金可以为通常用的变形铝合金，如硬铝合金、超硬铝合金、防锈铝合金等，牌号分别可以为LY12，F5等。

Claims (9)

1.一种用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于包括以下几步：

第一步：将铝合金加热至熔化，并调节温度至630℃-680℃，加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的氢化钛，以500～800rpm的速度搅拌60～500秒使氢化钛分散，再加入相当于铝合金重量的0.5％-5％的钙至铝合金熔液中，以300-500rpm的速度搅拌1-12分钟，以增加熔体的黏度，将搅拌后的熔体冷却，获得孔隙率低于70％的一次泡沫铝化合金预制件；

第二步：将上述孔隙率低于70％的一次泡沫化铝合金预制件放入模具，再加热升温到685℃～1200℃的温度，并在该温度下保温2～40分钟，使得一次泡沫化铝合金预制件在模具中二次泡沫化，将发泡后的泡沫铝合金冷却，获得泡沫铝合金制品。

2.根据权利要求1所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于上述第二步中，保温温度为750-950℃。

3.根据权利要求1所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于在第二步中升温二次泡沫化前，先将一次泡沫化铝合金预制件和模具预热至300℃-550℃，并在此温度下保温0.5-30分钟。

4.根据权利要求3所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于预热温度为400-550℃。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于在第一步冷却前将具有特定外部形状的预埋件放入泡沫铝合金熔体，所述预埋件为钢制或铜制的内螺纹、螺丝孔，从而获得带有预埋件的一次泡沫化铝合金预制件。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于所述铝合金为铝硅合金或者铝铜合金或者铝镁合金中的一种。

7.根据权利要求6所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于所述铝铜合金为牌号为ZL201的铝合金。

8.根据权利要求6所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于所述铝镁合金为牌号为ZL301的铝合金。

9.根据权利要求1所述的用于制备均匀孔结构泡沫铝合金异型件的方法，其特征在于氢化钛的加入量为铝合金重量的0.5％-3％。

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