CN101905326A - 一种泡沫铝夹心板制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明为泡沫铝夹心板制备方法，属于多孔泡沫金属及层状复合材料领域，将雾化法制得的铝-硅合金粉末与一定比例的发泡剂氢化钛粉末及金属镁粉末混合均匀，灌装入一端密封的薄壁钢(或铝合金)管，灌粉后将管材另一端密封后制成轧制坯料，在冷轧机上慢速轧制复合，所得的复合板经切边后按照发泡模具尺寸切取发泡预制坯，预制坯在钢质模具中进行受限发泡，根据要求调整发泡温度及发泡时间，经过高温短时发泡后可得到芯层泡沫结构均匀，界面结合良好、厚度精度高、板型优良的高质量泡沫铝夹心板；优点：设备要求简单，产品的板型精度、三点抗弯强度优异等突出特点，是一种适用于规模化工业生产的泡沫铝三明治结构材料的先进技术。

Description

一种泡沫铝夹心板制备方法

技术领域

本发明属于多孔泡沫金属材料及层状复合材料技术领域，特别涉及一种泡沫铝夹心板制备方法。

背景技术

目前，泡沫板材在各种领域被广泛使用，尤其是泡沫铝夹心板具有质轻，比强度及比刚度高、抗冲击性能好、电磁屏蔽性能佳等突出的特点，在航空、航天、汽车制造、轨道交通等领域具有广阔的应用前景，现在，公知的泡沫铝夹心板的制备工艺主要有胶粘及粉末冶金发泡法，其中，胶粘法中芯层多采用熔体发泡法生产的泡沫铝板，其尺寸规格易于控制，孔结构较为均匀，其不足之处是胶粘夹心板的结合强度偏低，耐高温与耐腐蚀能力较差。

同胶粘工艺相比，采用粉末冶金发泡法制备的泡沫铝夹心板面板/芯层的结合强度显著提高，由于界面实现了冶金结合，从根本上解决了胶粘法存在的产品耐高温能力差，易老化等缺点。现有的粉末冶金发泡预制坯的制备方法为热压法及一般的轧制复合法，热压工艺中，由于面板/芯层需要依靠长时间的热压过程实现初结合，生产效率较低，另外，受热压模具尺寸及压力机能力的限制，该工艺不能生产较大规格的产品。一般的轧制复合法由于在轧制过程中坯料边部为自由边界，粉末的流失量较大，且边部的粉末致密度相对较低。

发明内容

为解决以上泡沫铝夹心板制备技术的不足，本发明的目的提供一种泡沫铝夹心板制备方法，该制备方法主要是采用薄壁管填充粉末、冷轧复合、切边剪裁、钢制模具中受限发泡等过程制备高性能的泡沫铝夹心板，实现泡沫铝夹心板的规模化生产，简化工艺流程，解决粉末冶金发泡过程中有害的排液现象，利用颗粒增强作用提高泡沫铝夹心板的力学性能，通过薄壁管填充粉末后的冷轧复合过程调节板材的尺寸精度，优化板型，在保持轧制工艺制备的发泡预制坯芯层粉末致密度高，面板/芯层结合牢固的特点下，使发泡预制体的厚度精度得到明显提高。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明泡沫铝夹心板为三明治结构的复合板材，结构特征是芯层为均匀的泡沫体，上下两层面板为铝合金板或钢板。

本发明泡沫铝夹心板制备方法包括有混料、管材表面处理、灌粉封装、冷轧复合、切边剪裁、钢质模具内受限发泡等过程，其工艺流程如下：

1)混料：将雾化法制成的96～98.5％质量分数的铝-硅合金粉末，(粒度为200～400目)、0.5～2％质量分数的发泡剂氢化钛粉末(粒度为50～150目)、1～2％质量分数的金属镁粉末(粒度为100～200目)，在球磨混料机上混料均匀；

2)管材表面处理：薄壁钢矩形管或圆管的表面处理方式为化学镀镍，薄壁铝(合金)矩形管或圆管的表面处理方式为碱洗后对管内壁进行钢丝刷打磨；

3)灌粉封装：将混合均匀后的粉末注入表面处理后的作为包覆材料的一端封闭的采用壁厚为1～2mm薄壁钢(或铝)矩形管，或预压后的圆管内，完成后将另一端封闭制成轧制坯料；

4)冷轧复合：将轧制坯料在冷轧机上用50～70％的轧制压下率、轧制压力为30～80吨，0.1m/s的轧制速度进行轧制复合；

5)切边剪裁：轧后所得的复合板在线切割机上经切边后按照钢质发泡模具的尺寸剪裁成发泡预制坯；

6)钢质模具内受限发泡：将发泡预制坯置于钢质发泡模具中在发泡炉中进行发泡，按照计算得到的膨胀率预设模具内腔上表面高度，以控制发泡后夹心板的厚度精度，发泡温度为680～720℃，发泡时间1～2min；

最终可得到芯层泡沫结构均匀、板型精度高的高质量泡沫铝夹心板材料。

本发明所用设备有：球磨混料机、压力机、冷轧轧机(附带导、卫机构)、钢质发泡模具、箱式电阻炉。

技术条件：

1)泡沫体主要原料：铝-硅合金粉末，Si含量3～12.5％，粉末粒度为200～400目；

2)包覆材料：薄壁钢或铝矩形管或圆管；

3)发泡剂：氢化钛粉末；

4)混合粉末中发泡剂添加比例质量分数：0.5～2％

5)混合粉末中金属镁添加比例质量分数：1～2％

6)混料方式：采用高速球磨混料机，转速2000～3000r/min，混料时间1～2h。

7)薄壁钢矩形管或圆管的表面处理方式为化学镀镍。

具体工艺条件：镀液成分为NiSO₄·6H₂O 250g/L，NiCl₂·6H₂O60g/L，H₃BO₃ 40g/L，CH₃(CH₂)₁₁·SO₄Na 0.1g/L，C₇H₅NO₃S 1.0g/L，C₄H₆O₂0.1g/L，

镀液pH 4～4.5；

镀液温度50℃；

阴极电流密度2～5A/dm²；

电镀时间20～40min；

薄壁铝(合金)矩形管或圆管的表面处理方式为先用丙酮溶液清洗后，采用10％NaOH溶液浸泡10～20min，用清水冲洗干净并烘干，之后采用钢丝刷对管内壁进行机械打磨；

8)冷轧：轧制压下率50～70％，轧制压力30～80吨，轧制速度0.1m/s；

9)切边：将轧后实现板/芯界面结合及芯层粉末致密化的复合板进行切边，切边后板材应具有规则的矩形外形；

10)剪裁：按照钢质发泡模具的尺寸将切边后的复合板在线切割机上切取发泡预制坯，预制坯的尺寸与钢质发泡模具内腔有1mm的负公差；

11)发泡工艺条件：采用钢质发泡模具内受限发泡，根据计算得到的膨胀率预设发泡模具内腔的上表面高度。发泡温度为680～720℃，发泡时间1～2min；

12)发泡完成后将发泡模具从炉中取出进行整体水冷，充分冷却后从发泡模具内取出泡沫铝夹心板。

本发明的优点：采用的钢制模具中受限发泡的工艺具有高温快速发泡的特点，解决了面板变形、鼓包等技术难题，可调节的模具内腔上表面高度保证发泡后得到的夹心板具有较高的厚度精度，并可按照工艺及制品性能要求灵活调整泡沫铝夹心板芯层泡沫体的孔隙率等泡沫结构。

附图说明

图1为本发明泡沫铝夹心板制备方法工艺流程图。

具体实施方式

实施例1

选取：铝-硅合金粉末(含硅12.5％)295.5g(粒度为200目)，发泡剂氢化钛1.5g(粒度为50目)，金属镁粉末3g(粒度为100目)，将以上各种粉末装入内含金刚球的球磨罐中，球/料比为1∶3，将球磨罐置于高能球磨机上进行混料，转速2000r/min，混料时间1h，采用硬铝LY12薄壁矩形管作为包覆材料，管壁厚为1mm，矩形截面长50mm，宽10mm，矩形管长100mm，将矩形管在10％NaOH溶液浸泡10min，用清水冲洗干净并烘干，之后采用钢丝刷对管内壁进行机械打磨，打磨后的矩形管一端在压力机上压平封闭，将混好的粉末从矩形管开放端进行填充，填充完成后将矩形管开放端进行压平封闭制成轧制坯料，轧制坯料在Φ300mm复合轧机上进行轧制复合，轧制压下率为50％，对轧后的复合板进行切边，在线切割机上切取尺寸为100mm×50mm的发泡预制坯，发泡预制坯在5kW箱式电阻炉中进行发泡，将内腔尺寸为101mm×51mm的钢质发泡模具在电阻炉中预热至680℃，预热时间30min，将切割好的发泡预制坯放入钢质发泡模具中，发泡模具的上表面高度预设为15mm，发泡预制坯在模具中发泡1min后将发泡模具从炉中取出进行整体水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有良好芯层泡沫结构及板/芯结合强度的泡沫铝夹心板材料。

实施例2

选取：铝-硅合金粉末(含硅7％)292.5g(粒度为300目)，发泡剂氢化钛3g(粒度为100目)，金属镁粉末4.5g(粒度为150目)，将以上各种粉末装入内含金刚球的球磨罐中，球/料比为1∶3，将球磨罐置于高能球磨机上进行混料，转速2500r/min，混料时间1.5h，采用工业纯铝1100薄壁矩形管作为包覆材料，管壁厚为1.5mm，矩形截面长60mm，宽8mm，矩形管长100mm，将矩形管在10％NaOH溶液浸泡15min，用清水冲洗干净并烘干，之后采用钢丝刷对管内壁进行机械打磨，打磨后的矩形管一端在压力机上压平封闭，将混好的粉末从矩形管开放端进行填充，填充完成后将矩形管开放端进行压平封闭制成轧制坯料，轧制坯料在Φ300mm复合轧机上进行轧制复合，轧制压下率为60％，对轧后的复合板进行切边，在线切割机上切取尺寸为100mm×50mm的发泡预制坯，发泡预制坯在5kW箱式电阻炉中进行发泡，将内腔尺寸为101mm×51mm的钢质发泡模具在电阻炉中预热至700℃，预热时间30min，将切割好的发泡预制坯放入钢质发泡模具中，发泡模具的上表面高度预设为14mm，发泡预制坯在模具中发泡1.5min后将发泡模具从炉中取出进行整体水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有良好芯层泡沫结构及板/芯结合强度的泡沫铝夹心板材料。

实施例3

选取：铝-硅合金粉末(含硅3％)288g(粒度为400目)，发泡剂氢化钛6g(粒度为150目)，金属镁粉末6g(粒度为200目)，将以上各种粉末装入内含金刚球的球磨罐中，球/料比为1∶3，将球磨罐置于高能球磨机上进行混料，转速3000r/min，混料时间2h。，采用低碳钢Q235A薄壁矩形管作为包覆材料，管壁厚为1.5mm，矩形截面长60mm，宽8mm，矩形管长100mm。对钢管进行化学镀镍，具体工艺条件为镀液成分NiSO₄·6H₂O 250g/L，NiCl₂·6H₂O

60g/L，H₃BO₃ 40g/L，CH₃(CH₂)₁₁·SO₄Na 0.1g/L，C₇H₅NO₃S 1.0g/L，C₄H₆O₂ 0.1g/L，镀液pH值4；镀液温度50℃，阴极电流密度2A/dm²，电镀时间20min。化学镀镍后的矩形钢管一端在压力机上压平封闭，将混好的粉末从矩形管开放端进行填充，填充完成后将矩形管开放端进行压平封闭制成轧制坯料。轧制坯料在Φ300mm复合轧机上进行轧制复合，轧制压下率为70％。对轧后的复合板进行切边，在线切割机上切取尺寸为100mm×50mm的发泡预制坯，发泡预制坯在5kW箱式电阻炉中进行发泡，将内腔尺寸为101mm×51mm的钢质发泡模具在电阻炉中预热至720℃，预热时间30min，将切割好的发泡预制坯放入钢质发泡模具中，发泡模具的上表面高度预设为12mm。发泡预制坯在模具中发泡2min后将发泡模具从炉中取出进行整体水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有良好芯层泡沫结构及板/芯结合强度的泡沫铝夹心板材料。

实施例4

选取：铝-硅合金粉末(含硅3％)291g(粒度为300目)，发泡剂氢化钛3g(粒度为100目)，金属镁粉末6g(粒度为150目)，将以上各种粉末装入内含金刚球的球磨罐中，球/料比为1∶3，将球磨罐置于高能球磨机上进行混料，转速3000r/min，混料时间1.5h，采用低碳钢Q345薄壁圆管作为包覆材料，管壁厚为1mm，管内径为25mm，管长100mm，对钢管进行化学镀镍，具体工艺条件为镀液成分NiSO₄·6H₂O 250g/L，NiCl₂·6H₂O

60g/L，H₃BO₃ 40g/L，CH₃(CH₂)₁₁·SO₄Na 0.1g/L，C₇H₅NO₃S 1.0g/L，C₄H₆O₂ 0.1g/L，镀液pH值4.5；镀液温度50℃，阴极电流密度5A/dm²，电镀时间40min，在压力机上将薄壁钢管沿长度方向预压至高度为10mm并将其一端压平封闭，将混好的粉末从预压后管材的开放端进行填充，填充完成后将开放端进行压平封闭制成轧制坯料，轧制坯料在Φ300mm复合轧机上进行轧制复合，轧制压下率为70％，对轧后的复合板进行切边，在线切割机上切取尺寸为100mm×50mm的发泡预制坯，发泡预制坯在5kW箱式电阻炉中进行发泡，将内腔尺寸为101mm×51mm的钢质发泡模具在电阻炉中预热至700℃，预热时间30min，将切割好的发泡预制坯放入钢质发泡模具中，发泡模具的上表面高度预设为15mm，发泡预制体在模具中发泡1.5min后将发泡模具从炉中取出进行整体水冷，最后从发泡模具内取出已获得充分膨胀，具有良好芯层泡沫结构及板/芯结合强度的泡沫铝夹心板材料。

本发明实施中工艺要求：

1)制备轧制坯料时，采用了薄壁钢(或铝)矩形管(或预压后的圆管)灌粉后包覆轧制工艺，坯料的头尾部在压力机上进行了压平封闭，这种处理方式有效地克服了一般轧制复合工艺中因存在自由流动边界造成的粉末流失，提高了粉末的利用率。实践表明，轧制过程中粉末的损失率低于1％，有效降低了原料损耗。薄壁管包覆轧制工艺使轧制过程中处于密封状态的混合粉末没有了自由流动边界，粉末在进入轧制区后，瞬间即被压实，粉末层达到了极高的致密度，避免了以往存在自由流动边界时因边部粉末流失造成的板材宽度方向易产生各向异性的问题。

2)钢质模具中受限发泡解决了以往发泡时上侧为自由边界造成的夹心板厚度精度差，易出现鼓包、起皱等缺陷，使发泡后得到的夹心板具有较高的尺寸精度。根据计算得到的膨胀率预设的模具内腔上表面高度有利于控制芯层泡沫体的孔隙率，改善泡沫结构的均匀性。本工艺采用钢质模具中发泡，发泡时主要依靠预制坯下面板与模具表面接触形成的传导吸热，具有热流密度大，热量集中的特点，可在高温短时条件下完成预制坯的粉末冶金发泡过程，节能效果好。

3)在混合粉末中加入了一定质量分数的金属镁，发泡过程中金属镁同铝-硅合金发生反应，生成Mg3.5Al4.5(Al4.5Si1.5O20)相等复杂的氧化物颗粒，这些氧化物颗粒可以有效防止排液现象的出现。同时，新生相在熔体中的润湿性良好，发泡后，氧化物颗粒可均匀牢固地镶嵌在泡壁上，有效地起到了颗粒增强的作用，显著提高了夹心板的三点抗弯强度与压缩强度。夹心板的三点抗弯强度可达80MPa以上，高于现有的粉末冶金法制备的泡沫铝夹心板达40～80％。

Claims (3)

1.一种泡沫铝夹心板制备方法，其特征在于该制备方法包括有混料、管材表面处理、灌粉封装、冷轧复合、切边剪裁、钢质模具内受限发泡等过程；

其工艺流程如下：

1)混料：将雾化法制成的96～98.5％质量分数的铝-硅合金粉末，0.5～2％质量分数的发泡剂氢化钛粉末、1～2％质量分数的金属镁粉末，在球磨混料机上混料均匀；

2)管材表面处理：薄壁钢矩形管或圆管的表面处理方式为化学镀镍，薄壁铝(合金)矩形管或圆管的表面处理方式为碱洗后对管内壁进行钢丝刷打磨；

3)灌粉封装：将混合均匀后的粉末注入表面处理后的作为包覆材料的一端封闭的采用壁厚为1～2mm薄壁钢(或铝)矩形管，或预压后的圆管内，完成后将另一端封闭制成轧制坯料；

4)冷轧复合：将轧制坯料在冷轧机上用50～70％的轧制压下率、轧制压力为30～80吨，0.1m/s的轧制速度进行轧制复合；

5)切边剪裁：轧后所得的复合板在线切割机上经切边后按照钢质发泡模具的尺寸剪裁成发泡预制坯；

6)钢质模具内受限发泡：将发泡预制坯置于钢质发泡模具中在发泡炉中进行发泡，按照计算得到的膨胀率预设模具内腔上表面高度，以控制发泡后夹心板的厚度精度。

2.按权利要求1所述之泡沫铝夹心板制备方法，其特征在于铝-硅合金粉末粒度为200～400目，发泡剂氢化钛粉末粒度为50～150目，金属镁粉末的粒度为100～200目。

3.按权利要求1所述之泡沫铝夹心板制备方法，其特征在于钢质模具内受限发泡，发泡温度为680～720℃，发泡时间1～2min。

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