CN102773302A

CN102773302A - 泡沫铝杆的连续制备方法

Info

Publication number: CN102773302A
Application number: CN2012102738425A
Authority: CN
Inventors: 赵艳君; 胡治流; 黄健; 李逸泰; 何奥平; 庞兴志; 石伟和
Original assignee: Guangxi University
Current assignee: Guangxi University
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明提供一种泡沫铝杆的连续制备方法，该连续制备方法包括以下步骤：步骤一、制备泡沫铝坯料；步骤二、对所述泡沫铝坯料进行预处理，以获得前驱体；和步骤三、对所述前驱体进行发泡，以获得泡沫铝杆，其中所述步骤二包括：对所述泡沫铝坯料进行连续挤压，以获得所述前驱体。利用本发明所述的制备方法获得的泡沫铝杆具有较高的孔隙率，且孔隙的平均孔径较小。

Description

泡沫铝杆的连续制备方法

技术领域

本发明涉及一种泡沫铝杆的加工方法，具体地，涉及一种泡沫铝杆的连续制备方法。

背景技术

多孔性金属是一种在金属基体内随机分布着孔洞的新型材料。它把实体金属相如强度高、导热性好的特点与分散空气相的阻尼、减震、隔声等特性有机地结合在一起，是一种具有多种优良性能的轻质结构功能材料，在新材料领域中占有重要的地位。

泡沫金属大规模、连续制备技术的研究比较广泛的主要有熔体发泡法、直吹气体发泡法、粉体熔化发泡法和累积叠轧焊法等，有一些获得了商业应用。

从1986年开始，日本的Shinko Wire公司已将熔体发泡法用于小规模的商业生产，每天可生产1000kg的泡沫金属，其产品为“Alporas”，文献中表明Alporas具有闭孔泡沫形貌和较规则的孔结构。Shinko Wire公司生产的Alporas泡沫铝规格为2050×650×450mm，泡沫铸块的质量为160kg，包括外表面在内的总体密度为0.27g/cm³；切掉铸块表面后的密度一般为0.18～0.24g/cm³，平均孔径为2～10mm；沿泡沫铸块水平和垂直方向都存在密度梯度，最低密度出现在铸块的中上部。最后依需要将铸块切成薄板（5～250mm，标准厚度为10mm）。

直吹气体发泡法又称为Cymat/Aclan 和Norsk Hydro工艺，该工艺采用旋转浆或振动喷嘴将发泡气体(氧气、氩气、空气、水蒸汽、二氧化碳等)直接通入铝熔体中，利用旋转浆或喷嘴在熔体中产生足够多的优良的气泡并使它们分布均匀。该方法可连续生产大块低密度的泡沫金属，使金属基复合泡沫材料比其它多孔金属材料便宜。加拿大Cymat公司有一条生产线可以1000kg/h的速度生产宽1.5m，厚2.5～15mm的泡沫金属。Hydro铝业公司能以500～600kg/h的速度生产宽70cm、厚8～12mm、长2mm的泡沫板材。

粉体熔化发泡法也称为“粉体致密化发泡法”，可制备形状复杂的半成品尺寸的工件，若将预制的前驱体与金属板轧制后再发泡则可制备机械部件、汽车部件及三明治式泡沫铝材料(AFS，Aluminum foam sandwich)。该法在制备泡沫铝芯三明治结构时面板和泡沫芯为冶金结合，具有广阔的发展前景。压坯加热—粉末冶金法与轧制复合—粉末冶金法制备泡沫铝夹心板就是典型的例子。德国的Schunk GmbH和Honsel AG公司，奥地利的Mepura和Neuman公司目前已将粉体熔化发泡法应用于小规模的商业生产，生产出的泡沫铝产品名为“Foaminal”和“Alulight”。

日本学者Koichi Kitazono和Eiichi Sato等人提出的累积叠轧技术（ARB， Accumulative Roll Bonding）制备泡沫铝夹心板时，采用工业化生产的板材，在两块金属板间加入适量的TiH₂粉末，然后以大于50%的压下量轧制并切成相等两段；进行表面处理，这两块板再叠起到原来的尺寸，再进行轧制。这一过程可重复进行，几个道次后发泡剂颗粒可以均匀分布在金属基体上，然后在高温下发泡，获得所需的泡沫金属。用该方法可连续制备泡沫铝夹心板，国内有学者研究，但尚处于起步阶段。

泡沫铝材料具有优异的性能,但其大规模工业化生产和应用,还有待于开发生产成本低及稳定可控的生产工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种泡沫铝杆的连续制备方法，利用连续制备方法能够批量生产杆状的泡沫铝。

为了达到上述目的，本发明提供一种泡沫铝杆的连续制备方法，该连续制备方法包括以下步骤：步骤一、制备泡沫铝坯料；步骤二、对所述泡沫铝坯料进行连续挤压，以获得前驱体；步骤三、对所述前驱体进行发泡，以获得泡沫铝杆。

优选地，所述连续挤压的温度为300℃至350℃。

优选地，所述步骤二中使用的挤压设备包括挤压轮，该挤压轮的转速为10r/min至20r/min。

优选地，所述连续制备方法还包括在所述步骤二和所述步骤三之间对所述前驱体进行卷曲。

优选地，所述步骤三的发泡温度为400℃至650℃。

优选地，所述步骤三的发泡时间为5min至30min。

优选地，所述前驱体的密度与所述泡沫铝坯料密度之比为0.9至1。

优选地，所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝合金粉末的混合物；或者所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝粉的混合物。

优选地，所述发泡剂为氢化钛粉末。

优选地，所述发泡剂在所述泡沫铝坯料中的重量比为0.2%至1.5%。

本发明通过连续挤压的方法制备泡沫铝的前驱体，最终发泡获得的泡沫铝杆，且该泡沫铝杆的孔隙率较高，孔隙的孔径较小。并且，利用本发明所述的连续制备方法能够对泡沫铝杆进行批量生产。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施所述连续挤压的挤压设备的示意图。

附图标记说明

1 喂料装置 2 挤压轮

3 夹紧镶块 4 模具

5 挡料块 6 设备主体

7 前驱体 11 上部

12 下部。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供一种泡沫铝杆的连续制备方法，该连续制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备泡沫铝坯料；

步骤二、对所述泡沫铝坯料进行连续挤压，以获得前驱体；

步骤三、对所述前驱体进行发泡，以获得泡沫铝杆。

本领域技术人员应当理解的是，所述步骤一中制备获得的泡沫铝坯料为粉末状，该泡沫铝坯料为铝粉或铝合金粉末与发泡剂的均匀混合物。步骤二可以使粉末状的泡沫铝坯料挤压成致密度较高的前驱体，从而便于在步骤三中进行发泡。对泡沫铝坯料进行连续挤压，不仅可以实现连续生产所述前驱体，而且还可以对前驱体的截面形状进行控制。

在本发明中，利用连续挤压设备对泡沫铝坯料进行挤压。图1中所示的是一种常用的连续挤压设备，该连续挤压设备包括喂料装置1、挤压轮2、夹紧镶块3、模具4、挡料块5和设备主体6。挤压轮2、夹紧镶块3、模具4和挡料块5均安装在设备主体6上。挤压轮2的外圆周表面上形成有料槽，夹紧镶块3设置在挤压轮2的外侧，以封闭挤压轮2上的料槽，从而形成物料通道，而挡料块5挡在所述物料通道的一端，从而形成一端开放、一端封闭的物料通道。模具4中形成有模腔，如上所述，模具4也安装在设备主体6上，且所述模腔与所述物料通道相通。在本发明中，泡沫铝坯料受到挤压轮2的摩擦力，粉末状的泡沫铝坯料在摩擦力作用下进入物料通道后，受到夹紧镶块3和挤压轮2的挤压作用而被升温、压实，从而沿所述物料通道进入模具4的模腔内，此处，泡沫铝坯料因挤压和摩擦力的作用而升温至温度T，相当于在温度T对泡沫铝坯料进行连续挤压，从而有利于连续挤压的进行。由于泡沫铝坯料不间断地喂入所述物料通道中，进入模具4的模腔内的物料受到进一步的挤压，从而被进一步压实，进而通过模腔内的模孔挤出，并获得杆状的前驱体7。

在本发明中，前驱体7的横截面取决于模具4的模孔的横截面。例如，当模具4的模孔的横截面为圆形时，则可以获得横截面为圆形的前驱体7；当模具4的模孔的横截面为正方形时，则可以获得横截面为正方形的前驱体7。因此，在本发明中，可以通过将模具4的模孔设计成所需的形状，从而获得具有所需横截面的前驱体7，并发泡获得具有所需横截面的泡沫铝杆。

例如，在本发明的一种实施方式中，通过连续挤压获得的前驱体7的横截面为圆形，在这种情况下，为了便于出料，优选地，前驱体7的横截面直径为φ6.0~φ9.5mm。在本发明的另一种实施方式中，通过连续挤压获得的前驱体7的横截面为正方形，在这种情况下，为了便于出料，优选地，前驱体的横截面尺寸为5.5×5.5mm ~ 8.5×8.5mm。

连续挤压工艺易于控制，利用本发明所述的方法，可以持续的向连续挤压设备中供料，从而可以获得较长的杆状的前驱体7，进而获得较长的泡沫铝杆。

再将前驱体7放入加热炉中进行加热，发泡剂会受热分解，从而在前驱体7中形成孔隙，从而形成泡沫铝杆。由于在经过步骤二获得的前驱体7结构较为致密，因此，在经过步骤三后，可以获得孔隙孔径较小、孔隙率较高的泡沫铝杆。

在挤压过程中，泡沫铝坯料与挤压轮2和夹紧镶块3之间的摩擦力会使泡沫铝坯料发热，从而有利于泡沫铝坯料变形从而获得结构致密的前驱体7。对泡沫铝进行发泡时，通常使用的发泡剂为金属氢化物，常用作发泡剂的金属氢化物的开始分解温度通常在350℃至400℃之间。在本发明中，优选地，所述连续挤压的温度为300℃至350℃。从而既有利于将泡沫铝坯料压实并使泡沫铝坯料变形又能够防止发泡剂过早分解。在此处所述的“连续挤压的温度”是指当连续挤压能够稳定进行时，所述物料通道以及模具4的模腔中的泡沫铝坯料的温度。在生产中，通常是指所述步骤二（即连续挤压）开始后3min至5min后泡沫铝坯料的温度。

在本发明中，可以通过控制多种参数来控制物料所受到的摩擦力。如挤压轮的转速。当所述步骤二中使用的挤压设备中将挤压轮2的转速控制在10r/min至20r/min，则可达到上述连续挤压温度。

在本发明中，为了便于喂料，所述挤压设备还可以包括喂料装置1，该喂料装置1固定在挤压轮2的上方。在本发明中，对喂料装置1的具体形状并没有特殊的限制，只要能够便于将粉末状的泡沫铝坯料喂入所述物料通道中即可。例如，喂料装置1可以形成为漏斗形。如图1中所示，物料通道的形状为大致与挤压轮2同心的圆弧形通道，为了便于物料进入所述物料通道中，优选地，喂料装置1可以包括互相连通的上部11和下部12，在喂料时将泡沫铝坯料喂入上部11中，随后泡沫铝坯料进入下部12中，优选地，在安装喂料装置1时，将该喂料装置1安装为下部12与所述物料通道相切，从而便于泡沫铝粉末进入所述物料通道中。为了便于喂料，喂料装置1的上部11的开口可以朝上，从而便于操作者将粉末状的泡沫铝坯料倒入喂料装置1中。

在本发明中，可以通过多种方式固定喂料装置1，例如，可以利用支架将喂料装置1固定在设备主体6上。当然，还可以利用支架将设备主体6固定在地面或其他支撑结构上。

通过所述步骤二获得的所述前驱体具有较长的长度，为了便于进行所述步骤三，优先地，本发明所述的连续制备方法还包括在所述步骤二和所述步骤三之间还包括对前驱体7进行卷曲。进行卷曲步骤后，可以将杆状的前驱体7制备成盘条状的前驱体。应当理解的是，此处虽然前驱体的形状发生了变化，但该前驱体的内部结构（如，致密程度）并没有发生变化。在本发明中，可以利用普通的卷取机对杆状的前驱体7进行卷曲，从而获得盘条状的前驱体7。

此外，本领域技术人员还应当理解的是，此处所述的“在所述步骤二和所述步骤三之间对所述前驱体进行卷曲”的意思是，在连续挤压设备的出口处设置卷曲设备。当连续挤压设备中挤出杆状的前驱体后，立即喷水冷却，卷曲设备再对杆状的前驱体进行卷曲。在连续生产的过程中，“连续挤压”和“卷曲”这两道工序是同时进行的。

如上所述，将杆状的前驱体7卷曲获得盘条状的前驱体7之后，将盘条状的前驱体7置于加热炉中进行升温发泡。如上文中所述，在本发明中，所用的发泡剂通常为金属氢化物。为了使所述前驱体充分发泡（即，所述前驱体中的发泡剂充分分解），所述步骤三的发泡温度优选为400℃至650℃。将发泡温度设置在400℃至650℃可以使发泡剂充分分解，也可以使发泡剂分解的气体（例如，氢气）在泡沫铝中充分扩散，从而获得孔隙率较高且孔径均匀的泡沫铝杆。

为了使发泡剂完全分解并使发泡剂分解后的气体在泡沫铝中充分扩散，优选地，所述步骤三的发泡时间为5min至30min。进一步优选地，所述步骤三的发泡时间为10min~20min。

在泡沫铝的制备过程中，如果前驱体的致密度过低会使材料质量受到很大影响,严重时导致发泡过程无法进行。因此，在对前驱体进行发泡时，应尽量减小空洞体积，堵塞内部气体外泄的每一个通道，从而得到高孔隙率制品。

前驱体越致密，单位体积的前驱体中所具有的发泡剂越多，且在发泡过程中发泡剂释放出的气体流失量越小,获得的泡沫铝的膨胀高度越高，泡沫结构越均匀，并且前驱体致密度较高还能够有效地避免大尺寸通孔及破孔的出现。为了达到上述效果，优先地所述前驱体密度与所述泡沫铝坯料密度之比为0.9至1。在这种情况下，发泡后获得的泡沫铝杆的孔隙率可以达到70%以上。

通常，所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝合金粉末的混合物；或者所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝粉的混合物。例如，在本发明中，铝合金粉末为牌号为1×××（铝含量不小于99.00%）、3×××（锰为主要合金元素）或6×××（镁和硅为主要合金元素）。此处所述的牌号根据GB/T16474-1996“变形铝及铝合金牌号表示方法”命名的。

为了达到良好的发泡效果，优先地，所述发泡剂为氢化钛粉末。氢化钛粉末的开始分解温度为350℃至400℃之间，分解后能够释放大量的氢气，从而可以使泡沫铝杆具有较高的孔隙率。

同样为了进一步达到良好的发泡效果，又保证泡沫铝杆的孔隙具有较小的孔径，优选地，所述发泡剂在所述泡沫铝坯料中的重量比为0.2%至1.5%。

实施例1：将重量比为1%的TiH2粉末与重量比为99%的6063粉末在常温常压下混合均匀，获得泡沫铝坯料。在室温条件下，将泡沫铝坯料从挤压机的上方连续送入挤压机（改进后的LLJ300连续挤压机）中，且喂料方向与挤压轮相切，并对泡沫铝坯料进行挤压加工，以获得前驱体。正常挤压时挤压机的挤压轮转速为15r/min，使得连续挤压温度达到350℃，获得前驱体致密度为95%。将前驱体放入加热炉中进行发泡处理，发泡温度为550℃，发泡时间为10min，获得的泡沫铝杆成品断面尺寸为φ9.0mm，孔隙率为76%，孔隙的平均孔径为1.0mm。

实施例2：按照实施例1中所述的制备方法制备泡沫铝杆，不同的是，正常挤压时挤压机的挤压轮转速为10r/min，使得连续挤压温度达到300℃，获得前驱体致密度为91%。发泡温度为500℃，发泡时间为15min，获得的泡沫铝杆的断面尺寸为φ9.0mm，孔隙率为72%，孔隙的平均孔径为1.0mm。

实施例3：按照实施例1中所述的制备方法制备泡沫铝杆，不同的是将重量比为1.0%的TiH2粉末与重量比为99%的1050粉末在常温常压下混合均匀，获得泡沫铝坯料。获得的泡沫铝杆成品的横截面尺寸为8.0×8.0mm，孔隙率为72%，孔隙的平均孔径为1.0mm。

Claims

1.一种泡沫铝杆的连续制备方法，其中，制备方法包括以下步骤：

步骤一、制备泡沫铝坯料；

步骤二、对所述泡沫铝坯料进行连续挤压，以获得前驱体；

步骤三、对所述前驱体进行发泡，以获得泡沫铝杆。

2.根据权利要求1所述的连续制备方法，其中，所述连续挤压的温度为300℃至350℃。

3.根据权利要求2所述的连续制备方法，其中，所述步骤二中使用的挤压设备包括挤压轮，该挤压轮的转速为10r/min至20r/min。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的连续制备方法，其中，该方法还包括在所述步骤二和所述步骤三之间对所述前驱体进行卷曲。

5.根据权利要求1至3中任意一项所述的连续制备方法，其中，所述步骤三的发泡温度为400℃至650℃。

6.根据权利要求5所述的连续制备方法，其中，所述步骤三的发泡时间为5min至30min。

7.根据权利要求1至3中任意一项所述的连续制备方法，其中，所述前驱体的密度与所述泡沫铝坯料密度之比为0.9至1。

8.根据权利要求1至3中任意一项所述的连续制备方法，其中，所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝合金粉末的混合物；或者所述泡沫铝坯料为发泡剂和铝粉的混合物。

9.根据权利要求8所述的连续制备方法，其中，所述发泡剂为氢化钛粉末。

10.根据权利要求9所述的连续制备方法，其中，所述发泡剂在所述泡沫铝坯料中的重量比为0.2%至1.5%。