CN101082092A

CN101082092A - 泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法

Info

Publication number: CN101082092A
Application number: CN 200710024897
Authority: CN
Inventors: 何思渊; 魏永生; 何德坪; 丁龙; 顾菲菲; 甘望益
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2007-07-09
Filing date: 2007-07-09
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2027-07-09
Also published as: CN100439526C

Abstract

一种泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法，制备工艺步骤为：配制硫酸盐或氟化盐的水溶性盐溶液，搅拌使其充分溶解；加入碳酸盐粉末，充分搅拌后放入烘箱烘干，将烘干后所得混合物碾碎呈粉末状，备用；取碳酸盐粉末，向其中加入氢化钛粉末，混合均匀，备用；将纯铝或铝合金铝锭加热，保温至铝锭完全熔化；加入碳酸盐粉末，搅拌；加入碳酸盐粉末或者复合发泡剂粉末搅拌；停止搅拌后炉内保温；为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时迅速出炉采用多向水冷系统降温固化。新型发泡剂分解产生的气体性质稳定但会部分溶解于铝基体中，使气泡内压降低，维持最低表面能形态，形成小孔径泡沫，不易发生畸变，从而形成球形孔。

Description

泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法

一、技术领域

本发明属于一种闭孔多孔泡沫铝及铝合金的制造方法，尤其涉及泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法。

二、背景技术

现有技术：熔体发泡法因设备简单，生产成本相对低廉，是目前生产闭孔泡沫铝材首选工艺。传统的泡沫铝熔体发泡法制备工艺均采用增黏剂如钙、碳化硅、氧化铝粉末、铝粉等对熔融铝液进行增黏处理，然后加入专用发泡剂氢化钛等，发泡剂受热分解释放气体并在熔体中产生气泡，利用搅拌等方法使气泡均匀弥散分布于金属基体中，冷却后孔洞滞留于金属内部形成泡沫金属的制备方法。金属熔体在增黏，发泡两个相对独立的过程中完成，但专门制备或购买的增黏剂、发泡剂成本较高，未经处理的氢化钛在340℃即开始分解，400℃以上分解明显，在铝熔体(660℃)中气泡形成迅速，并迅速长大、上浮或破碎、合并，气孔相互挤压变形，使孔结构的均匀性和一致性较难控制。因此氢化钛发泡剂在使用前需进行物理研磨，加热氧化，凝胶包裹，金属包裹等人工钝化处理，其处理技术要求高，工艺参数较难掌握，进一步增加了生产成本。因此有必要寻找泡沫铝的新型增黏发泡制备方法，以生产出成品率高，孔隙均匀，孔隙率可控，生产成本较低的泡沫铝材料。

三、发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种闭孔小孔径球形孔泡沫铝及铝合金的制备方法，以生产出成品率高，孔隙均匀，孔隙率可控，生产成本较低的泡沫铝材料。

本发明的技术解决方案为：一种泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法，制备工艺步骤为：配制质量浓度为5～15％的硫酸盐或氟化盐的水溶性盐溶液，搅拌使其充分溶解；向上述盐溶液中加入占水质量分数30～80％的碳酸盐粉末，充分搅拌后放入烘箱烘干，将烘干后所得混合物碾碎呈粉末状，备用；取一定量碳酸盐粉末，向其中加入占碳酸盐质量分数2～15％的氢化钛粉末，混合均匀，备用；将纯铝或铝合金铝锭加热至665～700℃，保温至铝锭完全熔化，铝液温度均匀稳定；加入占铝液质量分数1.0％～2.0％的碳酸盐粉末，以300～500r/min转速搅拌5～10min；加入占铝液质量分数1.0％～3.0％经处理过的碳酸盐粉末或者占铝液质量分数1.0％～3.0％处理过的复合发泡剂粉末，转速800～1200r/min，搅拌时间1.5～5.0min；停止搅拌后炉内保温15～150s，使泡沫铝缓慢生长；为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时迅速出炉采用多向水冷系统降温固化。硫酸盐为硫酸钠，氟化盐为氟化钠。碳酸盐为碳酸钙或碳酸氢钙。

本发明产生的有益效果为：图1是新型增黏发泡剂和传统发泡剂氢化钛的升温热分解释气特性曲线，新型发泡剂出气量远低于氢化钛。但相对于传统发泡剂，新型发泡剂在用量没有大幅增加的情况下也能得到孔隙率相近且均匀无缺陷的泡沫铝制品，且主要为小孔径球形孔泡沫铝。主要原因有以下几方面：1.加入的新型增黏剂和发泡剂反应分解温区较高，在泡沫铝制备温区中不会完全分解，熔体中存在及生成多种固相颗粒如Al₂O₃，Al₄C₃等成为泡沫非均匀形核核心，悬浮在熔体中提高了熔体的黏度，增强了泡沫的稳定性，使大量微小泡沫得以形成，并在高速搅拌的铝熔体黏液中留存下来。而传统发泡剂在铝液中以极快的速度剧烈分解(钝化处理亦无法完全解决此问题)，分解产生的氢气与铝熔体比重差巨大，在搅拌过程中大量气体破碎逸出或与氧元素结合而损耗掉；2.新型发泡剂热稳定性高，分解平缓，故可延长搅拌时间使发泡剂在铝基体中充分混匀；对碳酸钙发泡剂的处理方法简单有效。3.新型发泡剂分解产生的气体性质稳定但会部分溶解于铝基体中，使气泡内压降低，维持最低表面能形态，形成小孔径泡沫，不易发生畸变，从而形成球形孔。

采用CaCO₃等新型发泡技术与现有TiH₂发泡技术对比有如下优势：

1.TiH₂价格高昂，制备困难，碳酸盐如CaCO₃价格低廉，制备、存储方便。

2.TiH₂热稳定性差，400℃以上即发生明显分解，需要进行物理研磨，加热氧化，凝胶包裹，金属包裹等复杂的人工钝化处理，其处理参数、工艺较难掌握，即使采用同样的处理工艺，不同批次处理的TiH₂发泡性能、均匀性均有差别。碳酸盐中CaCO₃发泡剂则无需进行任何前期处理，或只需进行简单处理。

3.TiH₂受热分解剧烈，气泡形成迅速，并迅速长大、合并、破碎，气孔相互挤压变形或联通，使泡沫铝孔结构呈多边形。CaCO₃受热分解平缓，气泡均匀独立，不易联通或变形，孔结构多为球形(球形孔的力学及耐蚀性较不规则多边形孔好)。

4.TiH₂分解产生的氢气易燃，CaCO₃分解产生CO₂则较为安全。

5.CaCO₃热稳定性好，850℃-1000℃以上才可能完全分解，这为采用CaCO₃制备其它高熔点泡沫金属，如泡沫钢、泡沫铜等提供了可能。

6.与通用技术相比本发明更适合制备低孔隙率小孔径球形孔泡沫铝或铝合金，前者也可形成上述结构，但控制技术难度大，成本高。

四、附图说明

图1是几种不同发泡剂的升温热分解释气特性曲线；主发泡剂为碳酸钙，发泡剂2为碳酸镁；

图2相同用量的CaCO₃和Ca在相同搅拌速度、时间条件下的增黏扭矩图；

图3是采用碳酸钙发泡剂制备的泡沫铝孔结构光学照片，为增强对比，图中孔洞经特殊处理；

图4是采用新型增黏发泡方法生产的泡沫铝样品截面照片。

五、具体实施方式

实施例1：

将铝锭加热至670℃，保温至铝锭完全熔化，加入质量百分比为1.5％的碳酸钙增黏剂，以400r/min转速进行搅拌，增黏至预设黏度。为使增黏剂充分混匀，根据扭矩仪读数确定搅拌时间，一般为5～10min，然后加入经硫酸钠处理过的碳酸钙发泡剂粉末，(100mL水中加入10g硫酸钠配制成水溶液，再加入50g轻质碳酸钙粉末充分搅拌，50℃烘箱中烘至充分干燥，取出碾碎，过200目筛)质量分数为1.5％，进行高速搅拌，转速控制在800～1100r/min，搅拌1.5～3.5min后升起搅拌桨，炉内保温15～90s，为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时应迅速出炉采用水冷却系统进行降温固化。

实施例2：

将铝锭加热至665～700℃，保温至铝锭完全熔化，加入质量百分比为1.0％～2.0％的碳酸钙增黏剂，以400r/min转速进行搅拌，增黏至预设黏度。为使增黏剂充分混匀，根据扭矩仪读数确定搅拌时间，一般为5～10min，然后加入混合了少量氢化钛的碳酸钙发泡剂粉末(100g碳酸钙粉末中混入15g氢化钛粉末充分搅拌混匀)质量分数为1.0％～2.5％，进行高速搅拌，转速控制在800～1100r/min，搅拌1.5～3.5min后升起搅拌桨，炉内保温15～90s，为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时应迅速出炉采用水冷却系统进行降温固化。

实施例3：

第一步：在一定体积水中加入占水质量分数5～15％的硫酸钠或氟化钠等硫酸盐、氟化盐水溶性盐溶液，搅拌使充分溶解；

第二步：向上述盐溶液中加入占水溶液质量分数30～80％份碳酸钙粉末，充分搅拌后放入烘箱烘干，并碾碎过筛呈粉末状，备用；

第三步：取一定量碳酸钙粉末，向其中加入占碳酸钙质量分数2～55％的氢化钛粉末，混合均匀，备用；

第四步：将纯铝或铝合金铝锭放入耐热坩埚加热至665～700℃，保温至铝锭完全熔化，铝液温度均匀稳定；

第五步：降入可控制搅拌深度及转速的电动搅拌桨，桨叶浸入铝液中；

第六步：加入占铝液质量分数1.0％～2.0％的未处理碳酸钙粉末，启动搅拌桨，以300～500r/min转速搅拌，并根据与搅拌桨相连的扭矩仪读数确定搅拌时间，一般为5～10min；

第七步，加入占铝液质量分数1.0％～3.0％经第一、二步处理过的碳酸钙粉末或者占铝液质量分数1.0％～3.0％经第三步处理过的复合发泡剂粉末，高速搅拌，转速800～1200r/min，搅拌时间1.5～5.0min；

第八步：关闭并提升搅拌桨，炉内保温15～150s，泡沫铝缓慢生长；

第九步：为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸(在铝用量一定的情况下，样品尺寸与泡沫铝孔隙率有直接对应关系)时迅速出炉采用多向水冷系统降温固化。

实施例4：

将铝锭加热至670℃，保温至铝锭完全熔化，加入质量百分比为1.5％的碳酸钙，以400r/min转速进行搅拌增黏7min，然后加入铝质量分数1.5％的氢化钛发泡剂，进行高速搅拌，转速控制在900r/min，搅拌1.5～2.5min后升起搅拌桨，炉内保温15～90s，为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时应迅速出炉采用水冷却系统进行降温固化。

实施例5：步骤同实施例3，碳酸钙换用碳酸氢钙。

Claims

1.一种泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法，其特征在于制备工艺步骤为：

a.配制质量浓度为5～15％的硫酸盐或氟化盐的水溶性盐溶液，搅拌使其充分溶解；

b.向上述盐溶液中加入占溶剂质量分数30～80％的碳酸盐粉末，充分搅拌后放入烘箱烘干，将烘干后所得混合物碾碎呈粉末状，备用；

c.取碳酸盐粉末，向其中加入占碳酸盐质量分数2～55％的氢化钛粉末，混合均匀，得复合发泡剂粉末，备用；

d.将纯铝或铝合金铝锭加热至665～700℃，保温至铝锭完全熔化，铝液温度均匀稳定；

e.加入占铝液质量分数1.0％～2.0％的碳酸盐粉末，以300～500r/min转速搅拌5～10min；

f.加入占铝液质量分数1.0％～3.0％的经a、b步骤处理过的碳酸盐粉末或者占铝液质量分数1.0％～3.0％的经c步骤处理过的复合发泡剂粉末搅拌，转速800～1200r/min，搅拌时间1.5～5.0min；

g.停止搅拌后炉内保温15～150s，使泡沫铝缓慢生长；

h.为防止孔结构塌陷，生长至接近目标尺寸时迅速出炉采用多向水冷系统降温固化。

2.如权利要求1所述的泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法，其特征在于所述硫酸盐为硫酸钠，氟化盐为氟化钠。

3.如权利要求1所述的泡沫铝及铝合金的增黏发泡制备方法，其特征在于所述碳酸盐为碳酸钙或碳酸氢钙。