CN104781429A - 用于通过铸模成形制造铝合金泡沫的方法 - Google Patents

用于通过铸模成形制造铝合金泡沫的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于生产铝合金泡沫的方法，所述方法主要由通过常规铸模成形方法、通常为“低压”型方法，使液体铝合金渗透预制体的间隙构成，所述预制体由硅胶弹性体制元件构成，随后除去在铸模成形循环和/或额外的烘干循环过程中分解为二氧化硅粉末的预制体。

Description

用于通过铸模成形制造铝合金泡沫的方法
技术领域
本发明涉及通过铸模成形制造高度多孔的金属材料的领域，该材料被称为金属泡沫或海绵或微孔金属材料或开孔金属泡沫，或以至少10％、一般地为60％至80％的孔隙度为特征。
目前，已开发了用于获得此类材料的许多方法，具体地，“Metal Foams；A Design Guide”,M F Ashby,A G Evans,N A Fleck,L J Gibson,J W Hutchinson,H N G Wadley,2000,Butterworth-Heinemann,[J Banhart,Progress in Materials Science 46(2001)559-632],http://www.metalfoam.net/中对此进行了描述。
更详细地讲，本发明涉及通过铸模成形制造此类铝合金泡沫的方法，也就是说，通过可破坏的预制体或砂芯(在此情况下由硅胶弹性体制元件构成)中的间隙的渗透。
所述产品可替代具有蜂窝或翅片结构的材料而用于制造一般为工业用的或用于汽车或核领域的热交换器、电气或电力电子电路的冷却被动交换器、LED二极管照明设备、隔音或能量吸收(具体地为汽车领域中的撞击吸收)等。
背景技术
存在许多关于通过铸模成形制造“铝泡沫”的参考文献。
[M F Ashby,A G Evans,N A Fleck,L J Gibson,J W Hutchinson,H N G Wadley“Metal Foams:A Design Guide”Butterworth-Heinemann,Boston,(2000)],[J Banhart,Progress in Materials Science 46(2001)559-632],[Y Conde,J-F Depois,R Goodall,A Marmottant,L Salvo,C San Marchi&A Mortensen,Advanced Engineering Materials 8(9)795-803(2006)]中具体概述了用于此目的的各种方法。
它们包括各种方法：
其中一种基于“损失模具精密铸模成形”的方法被记载于[Y  Yamada,K Shimojima,Y Sakaguchi,M Mabuchi,N Nakamura,T Asahina,T Mukai,H Kanahashi&K Higashi,Journal of Materials Science Letters,18(1999)1477-1480]中，也被称作“复制法”。其包括用耐火产品泥浆覆盖交联的泡沫，所述泡沫一般由聚氨酯制成，随后将其干燥和加热以固化模具并除去聚氨酯前体。随后在上述形成的模具中浇铸金属，随后按照惯例地破坏所述模具。
J Banhart在[Progress in Materials Science 46(2001)559-632]中提及了一种方法，在此方法中，通过粘合剂使砂团聚以生产预制体，所述粘合剂在液体金属的渗透和凝固过程中的热的作用下分解，这使其随后“除芯”。
不来梅港市的“佛罗恩霍夫研究所(Fraunhofer Institute)”描述了一种方法，根据此方法，由聚合物颗粒制成的预制体将在“负压(Sous-Pression)”型模具中被铝合金渗透，一般通过挤压铸造；在此之后，所述聚合物预制体将通过热力作用被除去。
http://www.ifarn.fraunhofer.de/index.php？seite＝/2801/leichtbauwe rkstoffe/offenporoese-strukturen/&lang＝en
“Ecole Polytechnique Fédéral de Lausanne”于其WO 2008/099014申请中引用了此参考文献。
然而，由于聚合物材料的融化，采用醋酸丁酸纤维素(CAB)、环氧化物(EP)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、酚醛(PF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚丙烯(PP)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚氯乙烯(PVC)或聚偏二氟乙烯(PVDF)的颗粒并尝试通过传统的“低压(basse-Pression)”类铸造的渗透的申请人所实施的全部测试都证明是徒劳。
“佛罗恩霍夫研究所”的Berg,W Maysenholder和M Haesche在“Noise Reduction by Open-Pore Aluminium Foam”(2003)中报告了通过使烧结的聚苯乙烯球制成的预制体在“负压”型250bar的模具中渗透得到的由AlSi9Cu3制成的泡沫试样的试验产品。在机加工之后，通过400℃下2小时的热处理，所述聚合物从试样中被除去。然而，提出了一种聚苯乙烯颗粒的替代物，在此为盐的球。
“Centre technique des Industries de la Fonderie”(CTIF)的专利FR 2 921 281描述了一种方法，在所述方法中，预制体由盐或高岭土的 球制成，由粘合剂(一般地为聚氨酯)团聚，粘合剂在液体金属的渗透过程中和凝固过程中分解。所述球随后通过溶剂的作用被除去。
然而，由于球的尺寸和形状，它们的必要的各向同性分布，相对较慢的预制体被溶剂溶解的速度，以及其应用的苛刻方面，尤其是在工业生产情况中，此方法是局限的。
“Ecole Polytechnique Fédéral de Lausanne”于其申请WO 2008/099014和相应的专利EP 2 118 328中描述了一种衍生的方法，其中，通过混合研磨的盐的颗粒、可热分解的有机粘合剂(一般为研磨的碳水化合物颗粒的粉)和润湿剂制造预制体，将被称为“盐浆糊”的此产物制成通气的具有开孔空间的预制体，随后是润湿剂的蒸发和为分解粘合剂所进行的烘烤，并随后在400℃至500℃的温度下硬化预制体，然后渗透。然后通过溶剂除去预制体。
此方法具有以下缺点：制造预制体的步骤相对冗长；成形/加工过程中需要挤压，这限制了可接受的颗粒形状；由于不能被全部去除的润湿剂以及环境湿度，加工过程中有形成不可见的团聚体的风险；以及需要蒸发和棘手的高温分解型的烘烤。
另外，得到的预制体相对较脆，这使其难以操作，尤其是对于在模具中的放置，以及限制了可接受的尺寸。
另外，证实通过溶剂的预制体的消除也是一个问题，尤其是在工业生产的背景下，并且，考虑到环境约束和成本，盐的回收是必要的，但是也产生了额外的投入和生产成本。
另外，由于盐的此应用，“铝泡沫”通常有相当大的残余的氯含量，这对产品的抗腐蚀性具有不利作用。此含量可被降至一个可接受的水平，但是，以泡沫的适当清洗为代价，显然影响其成本。
最后，所得的泡沫中的孔隙的形状和分布是相对地各向同性的，并且不易控制。
所提出的问题
本发明旨在提供一种解决上述各种问题的方法，并能够达到：
1)仅由颗粒和一种可热分解的粘合剂，或甚至无粘合剂，而简易制造预制体，
2)获得足够强度的预制体以使其易于操作和获得比现有技术的方法更大的尺寸的泡沫，并能够任选地组合几个预制体，
3)获得优选地可控制的各向同性的或各向异性的开孔，
4)在预制体的制造过程中能够在其中插入金属管或“砂芯”，以在泡沫中制造孔口或其他空的形状，所述金属管一般用作热交换器管，但是，所述管也可以由例如派热克斯(pyrex)型玻璃制成。
5)预制体渗透/凝固过程中的所述预制体的完全或几乎完全的破坏——也就是说仅仅需要快速的后续的烘干——成为易于消除的粉末。
6)能够使用相对标准的广泛使用的铸模成形方法，如“低压”砂型铸造或永久型铸造。
发明内容
本发明的主题是制造一种铝合金泡沫的方法，也就是说一种具有一般地从60％至80％的孔隙度的开孔材料，该方法主要由采用液体铝合金渗透预制体的间隙组成，所述预制体主要由(也就是说高于50％并优选地高于80％)硅胶弹性体制元件组成，其特征在于包含以下步骤：
a)制造构成所述预制体的元件，一般地通过冲模挤出并一般地借助于制粒机切割成硅胶弹性体段。
b)使所述元件团聚，一般地通过在存在粘合剂的情况下借助于混合器混合并在“芯盒”型铸模成形工具中成形，或通过在所述芯盒或在挤压成形工具中直接夹紧，
c)自然聚合或通过在一般地从50℃至100℃的温度下烘干而强制聚合，
d)从盒中取出预制体，
e)存放于环境空气中或一般地80℃和150℃之间的烤箱中，以消除溶剂，
f)将预制体放置在传统的砂或金属模具中，
g)在模具中浇铸铝合金，一般地通过“低压”类的方法，也就是说包含一般地700mbar至1.5bar、优选地700mbar至1.0bar的过压力，，在一般地800℃至820℃的温度下，
h)使获得的包括铝泡沫和或多或少分解为二氧化硅粉末的硅胶泡 沫的集合体脱模，
i)任选地以如下步骤结束：通过在约400℃至450℃的温度下烘干而分解硅胶，以及一般地通过人工落砂(décochage manuel)或震动和/或吹气、任选地通过加压的水而排出二氧化硅粉末。
根据一个具体实施方式，所述硅胶弹性体制元件在团聚步骤b)之前成形为大致的圆球形。
为此，所述挤出段在借助于制粒机切割之后于成形机中，一般地在两个移动的板之间被圆化。构成预制体的元件优选地具有2至10mm的外切直径。这意味着，在杆、管或圆柱形的细长元件的情况下，所述外切直径垂直于长度。
根据另一个同样优选的具体实施方式，它们具有2至10mm的长度。
根据此方法的一种变化，借助于以质量百分数表示的1％至3％比例的液体硅胶类粘合剂实施构成预制体的元件的团聚。
根据另一种变化，借助于以质量百分数表示的2％至4％比例的液体聚氨酯树脂类粘合剂实施构成预制体的元件的团聚。
还应注意的是，通过在挤压工具中简单的夹紧，不需要任何粘合剂而团聚构成预制体的元件是完全可能的，尤其是在它是球的情况下。
根据最常见的实施方式，所获得的预制体的密度在0.5至0.8之间。
根据一个特别有益的实施方式，团聚步骤b)包含放置一个或多个管，对于管类热交换器的生产中的“管加泡沫”集合体的使用而言，所述管一般地由铝合金制成，或对于特别地医学领域所获得的产品的使用而言，所述管由派热克斯型玻璃制成。
优选地，预制体在放置于模具中之前被预加热至一般地150℃至250℃的温度。
最后，优选地，预制体和所获得的铝合金泡沫具有50mm x 50mm的最小尺寸和350mm x 350mm的最大尺寸，各自的厚度为10至100mm和15至80mm。
具体实施方式
本发明是基于申请人的发现，即，由于被用作管或圆柱体生产中的 模具或砂芯中的空气输送管道的前体而为本领域的普通技术人员所熟知的硅胶弹性体，其本身被用于铝合金模塑中时，经受了所述铝合金的铸造而不融化，也就是说在800℃数量级的温度下，金属在与其接触时凝固，然后在铸造和固化过程中产生的热的作用下基本分解为二氧化硅粉末。
此材料因此看起来特别适合生产可破坏的预制体或砂芯，以取代现有技术的盐或高岭土的球预制体或盐浆糊预制体，用于通过铝合金在所述预制体的剩余自由间隙中的渗透、固化和去除二氧化硅粉末而制造铝泡沫。
为了达到此目的，具有70肖氏硬度的例如来自“Plastelec”公司的被称为标号SI 50至80、优选地SI 70的一种硅胶弹性体，被用作基体材料。
其通过例如挤出成形为具有各种变化的形状的细长元件，也就是说圆柱、管、具有星形的或多边形的横截面、实心或管状、棒等。
这些细长元件的外切直径，也就是说大致垂直于挤出轴的横截面，一般地非限制性地为从2至10mm。
所述元件随后例如借助于制粒机被切割成具有一般地非限制性地从2至10mm长度的段，其被称作构成预制体的元件。
它们可在此阶段照原样被用于后续步骤或被加工，特别地对于非中空的元件，以球的形状，也就是说例如在成形机中被圆化，也就是说，最常见地在两个移动的板之间。
根据本发明的一种变化方案，所述构成元件，任选地以球的形状，随后可照原样在“芯盒”类的低压夹紧工具中被团聚。
随后在环境温度下实施自然聚合或通过在一般地50℃至100℃的温度下烘干进行强制聚合。
本发明的另一个变化包括，例如在一个捏合式混合器(malaxeur dutype pétrin)中，在存在可热分解的有机粘合剂的情况下混合所述元件。后者具体地可以是聚氨酯类，例如来自Ashland的“Isocure”类，其比例为一般地但非限制性地以质量百分数表示的2％至4％，或液体硅胶类，例如具有来自“Plastelec”公司的成分的“RTV”，比例为一般地但非限制性地以质量百分数表示的1％至3％。
所述混合物随后被置于例如芯盒类的工具中，且该工具具有常规用于此类工具的夹紧压力，并且随后如上所述在环境温度下自然地实施聚合，或通过在一般地50℃至100℃、优选地80℃的温度下烘干而实施强制聚合，实施半小时至45分钟。
应当注意的是，在放置于夹紧工具中之前或过程中，其他元件可被引入构成预制体的元件之间，例如铝合金(或其他)制成的管，这被证实在随后的管类热交换器的制造情况中是特别有利的，或由派热克斯型玻璃制成的管，用于医学领域。
还可在构成预制体的元件之间引入由团聚的模塑砂或其他优选的可热分解的材料制成的砂芯，以生产泡沫中的孔口或其他“空的”形状，也就是说不存在金属。
所述预制体随后从成形/夹紧工具中被取出然后存放而消除溶剂，所述存放在环境空气中进行几个小时或在一般地在80℃和150℃之间的烤箱中进行半小时至两小时。
所述预制体随后为进行铸模成形和采用液体铝合金渗透的操作做好准备，所述操作优选地通过“低压”铸造实施，通过此方法获得的液体金属的过压力(在1至2秒的上升斜坡结束时一般地为700mbar至1.5bar)促进合金在预制体的间隙中的渗透。
在其被放置于模具中之前，所述预制体可在一般地150℃至250℃的温度下被预加热，所述模具可以是“永久金属”类或“可破坏的砂”类或混合的。
随后以传统的形式进行“低压”类铸造。
常用的合金为AlSi7Mg0.6，但是，可使用任意其他类的具有好的可铸性的铸模成形合金。
在第一情况中，铸造温度一般地是800℃至820℃。管和进料系统被充满并且随后施加压力上升斜坡，一般地从700mbar至1.5bar，且优选地从700mbar至1bar，以大致1至2秒的时间。
所获得的部件随后被取出，在金属模具的情况下通过简单的脱模实现，或通过震动架上破坏模具而实现，即一种本领域的普通技术人员已知的被称为“落砂”的操作。
在此阶段，可实施部件的去毛刺和休整或表面机加工。
如果不希望等待部件的冷却过程中的自然分解，或如果在该过程结束时分解不完全，也可在约400℃至450℃的温度下使残余硅胶额外分解为二氧化硅粉末。
二氧化硅粉末的最后消除通常通过震动和吹压缩空气发生，任选地通过加压的水的方法。
应当注意的是，此方法极好地克服了所述的问题并具有与现有技术相比的诸多优势。
预制体的制造是非常简单的，并且所述预制体足够牢固以使其更易于操作，使得能够获得比现有技术方法更大的尺寸的泡沫。
还可组装几个预制体，例如通过粘接，以获得具有较大尺寸的泡沫。
依据构成预制体的元件的构造，以及它们的选择和任意的混合，能够获得各向同性的或各向异性的开孔，并以理想的可控形式。
完全可以在预制体的制造过程中在其中插入管或砂芯，所述管为一般用作热交换器管的由铝合金制成的管，但也可以由例如派热克斯型玻璃制成，然而，现有技术的制造预制体的方法和/或对于500℃高温分解步骤的需要(如在盐浆糊的情况下)危害了此类操作。
预制体在渗透/固化或仅需要后续的快速烘干的过程中破坏成为粉末，与现有技术的预制体相比也是一个高度有利的优势，因为此步骤往往是非常有害的。
最后，使用的通过“低压”铸造的铸模成形法是完全标准的和广泛使用的，无任何特别修改。
详细地，借助于以下实施例将更好地理解本发明，然而，所述实施例不具有任何限制性特点。
实施例
实施例1
来自“Plastelec”公司的被称为SI 70标号的具有70肖氏硬度的硅胶弹性体被用作基体材料。
其被挤出为具有3mm的外径和1.7mm的内径的圆柱形的管。
借助于制粒机切割出具有3mm的长度的段而获得构成预制体的元 件。
所述元件与一种液体硅胶类的粘合剂混合，在此情况下，为具有来自“Plastelec”公司的成分的“RTV”，比例为以质量百分数表示的2.2％，也就是说，40g的粘合剂用于1.6kg的中空圆柱形颗粒。
它们随后被置于具有233mm x 233mm x 40mm尺寸的芯盒的腔内，并占据整个空间。
于环境空气中实现聚合，3小时后从盒中取出。
所获得的预制体于150℃下烘干2小时以消除溶剂。
所获得的具有233mm x 233mm x 40mm尺寸的预制体的密度是0.37。
所述预制体被预加热至150℃并被置于具有大致相同尺寸的腔的砂模具中。
随着管和给料系统的供给，于815℃在“低压”模式下铸造AlSi7Mg0.6合金，随后在最后的791mbar的压力上升过程中于1.6s内填充模腔。
在固化和冷却之后，模具在震动架上被敲出，部件被去除毛刺，表面机加工，并且随后通过震动和最后的吹压缩空气除去剩余的二氧化硅粉末。
所获得的泡沫具有218mm x 218mm x 40mm的尺寸和1.5kg的重量。
其计算密度是0.8，其开孔率为71％。
实施例2
使用与之前所使用的一样的硅胶弹性体。
其被挤出成具有5mm直径的棒状，也就是说实心圆柱。
它们与先前一样被切割成具有5mm长度的段。
所述元件与一种液体硅胶类的粘合剂混合，在此情况下，为具有来自“Plastelec”公司的成分的“RTV”，比例为以质量百分数表示的2％，也就是说，30g的粘合剂用于1.6kg的实心圆柱形颗粒。它们随后被置于具有233mm x 233mm x 40mm尺寸的芯盒的腔内，并占据整个空间。
两个由团聚的砂制成的具有35mm直径和40mm长度(也就是说在预制体的整个厚度上)的圆柱形的模塑砂芯、以及两根具有12mm外 径和0.8mm厚度的AA 5086型铝合金管沿垂直于砂芯的方向也被置于集合体的心部。
聚合部分地于80℃下在烤箱中1h、然后在环境温度下实现，在总的2小时之后从盒中取出。
所获得的预制体是未烘干的。
所获得的具有233mm x 233mm x 40mm尺寸的预制体的密度是0.37。
所述预制体被预加热至150℃并被置于具有大致相同尺寸的腔的砂模具中。
随着管和给料系统的供给，于809℃在“低压”模式下铸造AlSi7Mg0.6合金，随后在最后的720mbar的压力上升过程中于1.4s内填充模腔。
在固化和冷却之后，模具在震动架上被敲出，部件被去除毛刺，表面机加工，并且随后通过震动和最后的吹压缩空气除去剩余的二氧化硅粉末。
所获得的泡沫具有225mm x 225mm x 40mm的尺寸和1.4kg的重量。
其计算密度是0.7，其开孔率为74％。
存在两个由砂芯留下的具有大约35mm直径的孔口贯穿泡沫的整个厚度，和在泡沫的整个长度上的铝合金管，在此情况下沿垂直于砂芯的方向。

Claims (10)

1.制造一种铝合金泡沫的方法，也就是说一种具有一般地从60％至80％的孔隙度的开孔材料，所述方法主要由采用液体铝合金渗透预制体的间隙构成，所述预制体主要由硅胶弹性体制元件构成，其特征在于包含以下步骤：
a)制造构成所述预制体的元件，一般地通过冲模挤出并切割成硅胶弹性体段，
b)使所述元件团聚，一般地通过在存在粘合剂的情况下借助于混合器混合并在“芯盒”型铸模成形工具中成形，或通过在所述芯盒或在挤压成形工具中直接夹紧，
c)自然聚合或通过在一般地从50℃至100℃的温度下烘干而强制聚合，
d)从盒中取出预制体，
e)存放于环境空气中或一般地80℃和150℃之间的烤箱中，以消除溶剂，
f)将预制体放置在传统的砂或金属模具中，
g)在模具中浇铸铝合金，一般地通过“低压”类的方法，也就是说包含一般地700mbar至1.5bar、优选地700mbar至1.0bar的过压力，在一般地800℃至820℃的温度下，
h)使获得的包括铝泡沫和或多或少分解为二氧化硅胶粉末的硅胶泡沫的集合体脱模，
i)任选地以如下步骤结束：通过在约400℃至450℃的温度下烘干而分解硅胶，以及一般地通过人工落砂或震动和/或吹气，任选地通过加压的水而排出二氧化硅粉末。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅胶弹性体制元件在团聚步骤b)之前成形为大致的圆球形。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，构成预制体的元件具有2至10mm的外切直径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，构成预制体的元件具有2至10mm的长度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，借助 于以质量百分数表示的1％至3％比例的液体硅胶类粘合剂实施构成预制体的元件的团聚。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，借助于以质量百分数表示的2％至4％比例的液体聚氨酯树脂类粘合剂实施构成预制体的元件的团聚。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，预制体的密度在0.5至0.8之间。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，团聚步骤b)包含放置至少一个管，所述管一般地由铝合金或派热克斯型玻璃制成。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，预制体在放置于模具中之前被预加热至一般地150℃至250℃的温度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，预制体和所获得的泡沫具有50mm x 50mm的最小尺寸和350mm x 350mm的最大尺寸，各自的厚度为10至100mm和15至80mm。
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