CN101948963A - 泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法，属于多孔金属材料领域。本发明针对目前泡沫铝/铝合金异形件制备存在的孔结构均匀性控制、工艺复杂、发泡时间长效率低、TiH2发泡剂成本高及分散困难的不足，采用真空发泡填充型模的方法制备泡沫铝/铝合金异形件，具有孔结构均匀、高效、低成本、可实现工业生产的特点。
Description
技术领域
本发明属于多孔金属材料领域，特别是泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备工艺方法。
背景技术
通常方法制备的泡沫铝的外观多为板材、棒材圆柱体等规则形状，需要对其进一步加工来获得实际应用所需要的形状。传统的机加工会导致工件表面的扭曲或破坏，而精密电切削、化学碾磨和水射流切削等方法同样会在切割面留有开孔和粗糙的表面，造成局部的损坏，既影响泡沫铝的性能又提高了成本。泡沫铝异形件的净成型制备，可简化制备工序，提高生产效率，降低泡沫铝异形件的制备成本，满足特殊用途需要。
目前公知的泡沫铝异形件制备方法是二次发泡法(Two step foaming processing)，其主要工艺过程为：通过粉末冶金方法或熔铸方法获得含一定比例发泡剂TiH2的发泡先驱体，发泡先驱体在一定温度下在型模中进行二次发泡得到泡沫铝异形件。其共同点是：(1)首先必须获得发泡先驱体再进行二次发泡，都采用了较昂贵的TiH2作为发泡剂。从熔铸途径获得发泡先驱体的方法，由于发泡剂TiH2必须在高温熔体中进行搅拌分散，存在TiH2分散困难及TiH2过早、过快分解等问题，给泡沫铝异形件的孔结构控制带来不便；从粉末冶金途径获得发泡先驱体的方法，受粉末原料成本及加工工艺本身的限制，存在成本高、产量低、难以制备大体积构件等缺陷。另(2)二次发泡前需要对发泡先驱体进行机械加工，以获得以发泡型模相适应的基本形状，也是高制作成本的原因之一。
本发明不需制备发泡先驱体，也不需要发泡剂，可在短时间内通过一次性发泡制备泡沫铝/铝合金异形件，具有短流程、低成本、高效率的特点。
发明内容
本发明提供了一种泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法，其技术方案包括以下工艺步骤：
(1)铝/铝合金熔体的增粘：采用的原料为铝/铝合金，铝/铝合金加热到其熔点以上20-100℃熔化、保温30min.，后在铝/铝合金熔体中添加铝/铝合金熔体重量5-15％的SiC颗粒，以1500转/分的搅拌速度搅拌10-30分钟，使铝/铝合金熔体的粘度提高到1.4-1.8mPas；
(2)初始气体的引入及均匀化处理：往增粘的铝/铝合金熔体中注入熔体体积5-10％的气体，以1000-3000转/分的搅拌速度搅拌3-6分钟，使气体以微小气孔的形式均匀分散在增粘的铝/铝合金熔体中；
(3)真空型模发泡：将增粘的、含微小均布气孔的铝/铝合金熔体浇铸入减压仓中的发泡型模内，抽气10-20秒使减压仓内的气压减小到10-3-10-4atm，铝/铝合金熔体中的初始微小气孔膨胀使铝/铝合金熔体发泡并充满发泡型模，水冷却凝固后，得到泡沫铝/铝合金异形件。
所述的铝/铝合金中的铝为工业纯铝，铝合金为铝基体与合金元素Si、Cu、Mg、Zn构成的合金。
所述的SiC颗粒的粒度为5-20μm。
本发明工作原理：
1、真空发泡原理
在真空条件下，随着外压的减小，初始气孔的体积会急剧快速膨胀。
根据理想气体状态方程，对于等温过程有：
p1V1＝p2V2 (1)
(1)式中，P1-大气压(atm)，V1常压下微小气孔的体积(mm3)，P2-减压仓气压(atm)，V2-真空下气孔的体积(mm3)。
将气孔视为球体，则(1)式变形为：
p1r1 3＝p2r2 3 (2)
(2)式中，r1-常压下微小气孔的半径(mm)，r2真空下气孔的半径(mm)
利用(2)即可计算初始气孔的体积膨胀量，减压仓气压越低，则气孔体积膨胀越大，但由于气孔存在合并现象，因此，实际值大于理论值。设有一直径为0.1mm的初始气孔，大气压为1atm，当气压减小到0.001atm时，该初始气孔会膨胀为直径1mm的气孔；当气压减小到0.0001atm时，则该初始气孔会膨胀为直径2.15mm的气孔。
2、初始气孔的均匀化原理
铝/铝合金熔体中添加SiC颗粒搅拌使铝/铝合金熔体粘度提高，初始气孔及膨胀的气孔才能在铝/铝合金熔体中存留，形成稳定的熔体泡沫，并通过较快的水冷凝固使熔体泡沫结构保留下来形成泡沫铝/铝合金。为使熔体泡沫能够进行充分的的充型，熔体粘度应稍低于常规发泡熔体的粘度，控制在1.4-1.8mPas的范围内。
另外，通过初始气体的引入、搅拌，使引入的初始气体在增粘熔体中呈细小、均匀的状态分布，为均匀泡沫结构的获得提供了保证，初始气孔越细小均匀，则充型发泡越充分，初始气孔的均匀化的搅拌时间控制在3-6分钟。
3、熔体泡沫的真空发泡充型原理
根据(1)式可得出熔体体积与环境压强的关系：
(3)式中pd为大气压；ph为减压仓气压；Vr为充型熔体泡沫的体积；Vl为铝液体积；Vc为始气孔体积。
(3)式建立了气压、体积之间的关系，可根据(3)式和充型型模几何形状，推算出具体的充型高度、深度等。
本发明的有益效果是：在提高泡沫结构稳定性基础上，通过初始气孔的引入及均匀化处理，利用初始气体在低压下的膨胀充型特性制备泡沫铝/铝合金异形件，解决公知泡沫铝异形件制备中的工艺复杂需要二次发泡、TiH2发泡剂高成本、TiH2发泡剂分散困难、泡沫铝/铝合金结构均匀性控制及发泡效率低等问题。
附图说明
图1为本发明工艺流程图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实例对本发明做进一步的阐述，但本发明的内容并不限于此。
(1)铝/铝合金熔体的增粘：采用的原料为工业纯铝(以下简称铝)/铝合金，铝/铝合金加热到其熔点以上20-100℃熔化、保温30min.，后在铝/铝合金熔体中添加铝/铝合金熔体重量5-15％、粒度5-20μm的SiC颗粒，以1500转/分的搅拌速度搅拌10-30分钟，使铝/铝合金熔体的粘度提高到1.4-1.8mPas；
(2)初始气体的引入及均匀化处理：往增粘的铝/铝合金熔体中注入熔体体积5-10％的气体，以1000-3000转/分的搅拌速度搅拌3-6分钟，使气体以微小气孔的形式均匀分散在增粘的铝/铝合金熔体中；
(3)真空型模发泡：将增粘的、含微小均布气孔的铝/铝合金熔体浇铸入减压仓中的发泡型模内，抽气10-20秒使减压仓内的气压减小到10-3-10-4atm，铝/铝合金熔体中的初始微小气孔膨胀使铝/铝合金熔体发泡并充满发泡型模，水冷却凝固后，得到泡沫铝/铝合金异形件。
实施例1：
采用工业纯铝为原料，将工业纯铝加热到700℃熔化、保温30min.得到铝熔体；在铝熔体中添加铝熔体重量5％、5-10μm的SiC颗粒，以1500转/分的速度搅拌12分钟，使铝熔体粘度提高到1.5mPas；往增粘的铝熔体中引入熔体体积含量5％的气体，以1000转/分的搅拌速度搅拌3分钟使初始气体分散均匀；将增粘后的、含有微小气孔的铝熔体浇铸入减压仓中的六棱柱型模内，抽气10秒使减压仓内的气压减小到0.001atm，初始气孔膨胀使铝熔体发泡并充满六棱柱型模型模，铝熔体泡沫水冷却凝固后得到孔隙率76％、平均孔径1.8mm的六棱柱泡沫铝异形件。
实施例2：
采用Al-Si12合金为原料，Al-Si12合金加热到650℃熔化、保温30min.得Al-Si12合金熔体；在Al-Si12合金熔体中添加Al-Si12合金熔体重量10％、10-15μm的SiC颗粒，以1500转/分的搅拌速度搅拌20分钟，使Al-Si12合金熔体粘度提高到1.6mPas；往增粘的铝熔体中引入熔体体积含量7％的气体，以1500转/分速度搅拌5分钟使初始气体分散均匀；将增粘后的、含微小气孔的Al-Si12合金熔体浇铸入减压仓中的空心圆柱型模内，抽气15秒使减压仓内的气压减小到0.0005atm，初始气孔膨胀使Al-Si12熔体发泡并充满空心圆柱型模，Al-Si12熔体泡沫水冷却凝固后得到孔隙率82％、平均孔径2.3mm的空心圆柱Al-Si12合金泡沫异形件。
实施例3：
采用2024铝合金为原料，2024铝合金加热到680℃熔化、保温30min.得到2024铝合金熔体；在2024铝合金熔体中添加2024铝合金熔体重量15％、15-20μm的SiC颗粒，以2500转/分的搅拌速度搅拌25分钟，使2024铝合金熔体粘度提高到1.8mPas；往增粘的2024铝合金熔体中引入熔体体积含量9％的气体，以2500转/分的搅拌速度搅拌6分钟使初始气体分散均匀；将增粘后的、含微小气孔的2024铝合金熔体浇铸入减压仓中的球形型模内，抽气20秒使减压仓内的气压减小到0.0001，初始气孔膨胀使2024铝合金熔体发泡并充满球形型模，2024铝合金熔体泡沫水冷却凝固后得到孔隙率90％、平均孔径3.5mm的球形2024铝合金泡沫异形件。
Claims (3)
1.一种泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：
(1)铝/铝合金熔体的增粘：采用的原料为铝/铝合金，铝/铝合金加热到其熔点以上20-100℃熔化、保温30min.，后在铝/铝合金熔体中添加铝/铝合金熔体重量5-15％的SiC颗粒，以1500转/分的搅拌速度搅拌10-30分钟，使铝/铝合金熔体的粘度提高到1.4-1.8mPas；
(2)初始气体的引入及均匀化处理：往增粘的铝/铝合金熔体中注入熔体体积5-10％的气体，以1000-3000转/分的搅拌速度搅拌3-6分钟，使气体以微小气孔的形式均匀分散在增粘的铝/铝合金熔体中；
(3)真空型模发泡：将增粘的、含微小均布气孔的铝/铝合金熔体浇铸入减压仓中的发泡型模内，抽气10-20秒使减压仓内的气压减小到10-3-10-4atm，铝/铝合金熔体中的初始微小气孔膨胀使铝/铝合金熔体发泡并充满发泡型模，水冷却凝固后，得到泡沫铝/铝合金异形件。
2.根据权利要求1所述的泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法，其特征在于：所述的铝/铝合金中的铝为工业纯铝，铝合金为铝基体与合金元素Si、Cu、Mg、Zn构成的合金。
3.根据权利要求1所述的泡沫铝/铝合金异形件的真空发泡制备方法，其特征在于：所述的SiC颗粒的粒度为5-20μm。
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Granted publication date: 20120620 Termination date: 20160919 |
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