CN106180610B - 一种泡沫金属夹芯材料生产设备及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泡沫金属夹芯材料生产设备，其包括坩埚以及加热装置，坩埚通过隔离装置分隔为底部相连通的用于生产泡沫金属夹芯材料的成型容腔和用于浇注金属液的浇注容腔，金属液浇注容腔的高度大于泡沫金属夹芯材料成型容腔的高度，成型容腔的上部设置有提升装置，成型容腔中固定设置有汇流模具，汇流模具底部设置为锥形开口，锥形开口的下方设置有吹气装置，本发明还提供一种泡沫金属夹芯材料生产方法，具体提供了一种泡沫金属夹芯材料吹气发泡与覆层液态反挤压复合成型方法，可实现覆层与芯部泡沫金属的冶金结合，解决了泡沫金属夹芯材料产品质量不可控、结合强度不高、生产效率低等问题。

Description

一种泡沫金属夹芯材料生产设备及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及一种利用吹气发泡法连续生产泡沫金属夹芯材料的生产设备及其生产方法。

背景技术

泡沫金属夹芯材料属于新型轻量化功能与结构材料，不仅具有泡沫铝的优良功能特性，而且改善了它强度低、难以连接等缺陷。作为结构材料它具有轻质、高比刚度的特点和良好的减振(阻尼)性能，作为功能材料它具有吸声、隔热、阻燃、减震、阻尼、吸收冲击能、电磁屏蔽等多种优异功能，可广泛应用在航空航天、高速轨道交通、汽车、核工业等高端领域。面对越来越严峻的服役条件和巨大的市场需求，泡沫金属夹芯材料产品种类多样性及高效制备技术成为人们关注的重点。

近年来，单纯的泡沫铝已经可以运用吹气发泡法实现连续生产，但泡沫金属夹芯材料尚无可实现连续制备的工艺方法，本行业技术人员对泡沫金属夹芯材料的发泡机理、工艺方案等进行了大量的研究与探索，同时也提出了多种制备方法，如粘结法、粉末冶金法、轧制复合-粉末冶金发泡法等，取得了一定的成果，推动了泡沫金属夹芯材料的发展和应用。但仍处于小批量试验阶段，并且以上方法在实际生产中存在因生产线过长或工艺复杂而导致的生产率低、生产成本高、结合质量差等问题。

例如，粘结法工艺简单最为常见，但属于物理结合，自身易受到环境影响，在实际使用的过程中受到了很大的制约；粉末冶金法主要用于制备中空型材填充结构，该方法利于制备形状较为复杂的复合结构，但是制备出的泡沫复合件相对密度较低；轧制复合-粉末冶金发泡法可以达到理想的冶金结合，但该方法需要较大的轧制压下量，并且边部在轧制中容易开裂导致粉末脱落，因此成品率较低。

综上可知，泡沫金属夹芯材料的泡孔尺寸及分布形式的精细化控制、芯部泡沫金属与实体覆层间的结合强度以及高效率连续化生产工艺技术是目前亟待解决的关键问题。

发明内容

为了解决上述提到的现有技术的不足，本发明提供了一种泡沫金属夹芯材料生产设备及方法，解决了泡沫金属夹芯材料产品质量不可控、种类单一、结合界面强度不高、生产效率低等问题。

具体地，一种泡沫金属夹芯材料生产设备，其包括坩埚以及设置在所述坩埚外部的加热装置，

所述坩埚通过隔离装置分隔为底部相连通的用于生产泡沫金属夹芯材料的成型容腔和用于浇注金属液的浇注容腔，所述浇注容腔的高度大于所述成型容腔的高度，

所述浇注容腔的上方设置有浇注装置，所述浇注装置与所述浇注容腔的中间设置有中间包，所述浇注装置用于将金属液通过所述中间包浇注至所述浇注容腔，

所述成型容腔的上部设置有提升装置并且所述成型容腔中固定设置有汇流模具，所述提升装置能够沿垂直方向上下移动并设有与所述成型容腔内金属液接触的初始位置，所述汇流模具的外壁与所述成型容腔内壁之间具有一恒定间距H，

所述汇流模具底部设置为锥形开口，所述锥形开口的下方设置有吹气装置，所述汇流模具中的金属液通过所述锥形开口收集吹气装置吹出的气泡并形成芯部泡沫金属，所述汇流模具的外壁与所述成型容腔内壁之间的金属液通过挤压形成具有厚度δ的金属覆盖层，所述金属覆盖层与所述芯部泡沫金属经所述提升装置提升形成泡沫金属夹芯材料。

优选地，所述成型容腔的上方设置有冷却结晶器，所述冷却结晶器用于对所述泡沫金属夹芯材料进行冷却。

优选地，所述浇注容腔内部设置有整流罩，所述整流罩均匀设有孔或槽，所述整流罩用于对浇入的金属液进行缓冲。

优选地，所述成型容腔的底部开设有用于安装所述吹气装置的通孔，所述吹气装置包括气体入口和气体出口，所述气体出口设置有多个大小形状可调的微孔。

优选地，所述加热装置外部包覆有保温层，用于进行隔热和保温。

优选地，所述中间包的出口设置有塞棒，所述浇注容腔中设置有液位检测与控制装置，用于检测浇注容腔中的实时液位高度，所述液位检测与控制装置设定有液位高度阈值，当检测到的液位高度与液位高度阈值不一致时，通过调节塞棒的上下位置来改变塞棒和中间包之间形成的出口面积，从而调节浇入到浇注容腔中的金属液流量。

优选地，本发明还提供一种泡沫金属夹芯材料生产方法，其包括以下步骤：

S1、开启加热装置，对坩埚以及中间包进行预热，对冷却结晶器进行通水冷却，利用浇注装置浇注成分均匀的金属熔体，所述金属熔体流经中间包后经整流罩整流注入坩埚，当坩埚的浇注容腔的液面和成型容腔的液面相齐平并浸没汇流模具时，停止浇注所述金属熔体并进行保温；

S2、将提升装置下降至与金属液接触，当其下表面形成一层凝固坯壳时，开启吹气装置、浇注装置以及液位检测与控制装置，逐步在坩埚两侧形成稳态的液位差；

S3、通过吹气装置向金属液中注入一定的压力和流量的气体，在金属液中形成分散的气泡并收集进入汇流模具，所述气泡到达金属液的液面后与提升装置的下表面接触并不断汇聚凝固成芯部泡沫金属；

S4、汇流模具的外壁和成型容腔的内壁之间的金属液进入冷却结晶器，之后在冷却结晶器的冷却作用下在泡沫金属的外侧形成金属覆盖层，所述金属覆盖层与所述芯部泡沫金属经所述提升装置提升形成泡沫金属夹芯材料；以及

S5、当达到稳定状态时，浇注容腔的液面和成型容腔的液面形成稳定的液位差，保持浇注装置的浇注速度、提升装置的提升速度、吹气装置的吹气速度保持恒定，从而连续均匀的生产泡沫金属夹芯材料。

优选地，根据需要生产的泡沫金属夹芯材料的形状能够调节所述成型容腔、汇流模具以及冷却结晶器的形状。

优选地，步骤S4中汇流模具的外壁和成型容腔的内壁之间的间距H为10-200mm，所述金属覆盖层的厚度δ为3-15mm。

优选地，所述吹气装置吹出的气体为空气、氮气、二氧化碳或者氩气，所述金属材料为铝、铜、铁、镍、钛或不锈钢。

本发明的优点如下所述：

(1)在传统吹气发泡法基础上，融合连铸工艺中间包底吹氩技术和挤压工艺中汇流模具设计理念，提供了一种泡沫金属夹芯材料吹气发泡与覆层液态反挤压复合成型设备及方法，可实现覆层与芯部泡沫金属的冶金结合，解决了泡沫金属夹芯材料产品质量不可控、结合强度不高、生产效率低等问题。

(2)可根据生产需要灵活调整金属材质和夹层复合材料类型，具有宽泛的产品种类生产范围。一方面可以更换截面类型，如可生产泡沫铝夹芯棒材、泡沫铝夹芯板材或其他异形截面夹芯材料，另一方面是可更换基体材料，如将基体铝换成铜、铁、镍、钛、不锈钢等其他可发泡材料。

(3)吹气装置气孔大小、布置方式简便可调，可根据产品需求生产不同泡孔分布类型的泡沫金属夹芯材料，如大孔径泡孔均布、小孔径泡孔均布、同径泡孔变密度分布、异径泡孔分布等。

(4)通过调整汇流模具外壁与成型容腔内壁间距离大小及汇流模具内壁尺寸，能精确控制覆层金属基体和心部泡沫金属的体积分配以及覆层厚度的均匀性。

(5)浇注容腔和成型容腔液位差、金属液温度、提拉速度、吹气流量等工艺可控，可保证泡沫金属夹芯材料成型过程的均匀性及连续性，产品质量稳定。

(6)本发明所述泡沫金属夹芯材料生产方法工艺流程短，设备结构简单可靠，生产成本低，具有显著高效节能的特点。

附图说明

图1为本发明所述设备连续反挤压成型工艺示意图；

图2为本发明所述设备开始反挤压成型时的示意图；

图3为实施例1中生产泡沫铝夹芯管时汇流模具结构示意图；

图4为实施例1中生产泡沫铝夹芯板时汇流模具结构示意图；以及

图5为整流罩结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步解释：

具体地，本发明提出的泡沫金属夹芯材料生产设备，如图1所示，其包括浇注装置1、中间包2、液位检测与控制装置3、坩埚4、整流罩5、加热装置6、保温层7、吹气装置8、汇流模具9、冷却结晶器10以及提升装置11。

所述加热装置6紧密贴合在坩埚4外部，对其加热，保证内部金属液A的温度。所述保温层7包覆在加热装置6外侧，对整体装置进行保温。

坩埚4的内部通过隔板40分为浇注容腔41和成型容腔42，浇注容腔41所在坩埚部分的外壁411高于成型容腔42所在坩埚部分的外壁421，同样的，隔板40与外壁411配合的部分的高度高于隔板40与外壁421配合的部分的高度，因此浇注容腔41的整体高度大于成型容腔42的整体高度，以保证在浇注过程中产生液位差，即对成型容腔42液体的反挤压压力。成型容腔42截面形状可根据产品形状调整，如生产泡沫金属夹芯棒材，成型容腔为圆形；生产泡沫金属夹芯板材，成型容腔为矩形；或者其他异形棒或板材等，在生产过程中，可以根据需要随意变更成型容腔的形状以达到生产不同形状夹芯材料的目的。

浇注装置1位于浇注容腔41最上方，用于向中间包2中浇入金属液A。中间包2位于浇注装置1和浇注容腔41之间，出口包含有塞棒21。液位检测及控制装置3设置在浇注容腔41内部，用于检测坩埚浇注容腔41中液位高度变化，其内部设定有液位高度阈值，当检测到的液位高度与液位高度阈值不一致时，通过调节塞棒21升或降来改变塞棒21和中间包2间形成的出口面积，来调节浇入浇注容腔41的金属液A流量，以实现液位控制功能。

如图5所示，整流罩5安装在坩埚浇注容腔41内并浸入金属液中，整流罩5开有均布的孔或者槽，对浇入的金属液进行缓冲，以免浇注金属液冲击影响成型容腔42内泡沫金属夹芯材料的连续成型。

吹气装置8安装在坩埚成型容腔42底部，包含气体入口和气体出口，气体出口处包含有许多细小微孔，微孔尺寸大小及布置形式可根据产品要求和坩埚的成型容腔42形状调整。

汇流模具9的底面略低于坩埚成型容腔42出口，底部设有锥形开口91，汇流模具9外壁和坩埚成型容腔42内壁有一恒定间距H，H的范围为10-200mm，并且四周通过支撑固定在坩埚成型容腔42中，并且浸入金属液中，锥形开口41收集吹气装置8吹出的气泡，在内部形成芯部泡沫金属C，同时，由于浇注容腔41和成型容腔42两侧有液位压差，金属液受到反挤压压力作用，通过汇流模具9外壁和坩埚成型容腔42内壁间的恒定间距H在芯部泡沫金属外侧形成恒定壁厚δ的实体金属覆层，δ的范围为3-15mm。汇流模具9的形状可根据产品要求和成型容腔42的形状进行调整，并且通过调整汇流模具9外壁和坩埚成型容腔42内壁间的间距H以及汇流模具9的内径，可以实现泡沫金属夹芯材料芯部与覆层基体的体积分配控制。

冷却结晶器10位于坩埚成型容腔42上方，内部通有冷却水，对初步成型的泡沫金属夹芯材料进行持续冷却，保证后续部分能够连续提拉成型。冷却结晶器10形状可根据产品要求和成型容腔42形状进行调整。

提升装置11位于冷却结晶器10上方，可沿垂直方向上下移动，开始时底部浸入金属液中，当金属液在表层开始凝固时，开始逐渐向上提升引锭，当在液位检测与控制装置3作用下，两侧达到稳定液位差时，以恒定速度向上提拉，实现泡沫金属夹芯材料的连续成型。提升装置11形状可根据产品要求和所述坩埚的成型容腔42形状调整。

利用上述设备连续生产泡沫金属夹芯材料的方法，包括如下步骤：

S1、安装调试设备，并开启加热装置6，预热坩埚4以及中间包2，冷却结晶器10通水冷却。将成分均匀的液态金属A，利用浇注装置1开始浇注，流经中间包2后经整流罩5整流注入浇注容腔41，当浇注容腔41和成型容腔42两侧液面相平并浸没汇流模具9时，停止浇注并保温；

S2、如图2所示，将提升装置11下降至与金属液接触，当提升装置11表面形成一层凝固坯壳时，开启吹气装置8、浇注装置1、液位检测与控制装置3，逐步在坩埚4的浇注容腔41和成型容腔42两侧形成稳态时的液位差。首先，气体以一定的压力和流量通过吹气装置8注入金属液中，分散的气泡上浮后被收集进入汇流模具9，到达液面后与提升装置11的底板接触并不断汇聚凝固成芯部泡沫金属C；同时，在浇注容腔41和成型容腔42两侧液位差引起的熔体静压力作用下，对汇流模具9外壁和成型容腔42内壁之间的金属液形成一个向上的反挤压压力，推动汇流模具9两侧的金属液(无气泡)挤入冷却结晶器10，之后在冷却结晶器10的冷却作用下在泡沫金属外侧形成金属覆盖层B，形成泡沫金属夹芯复合材料，然后在提升装置11底端凝固金属的牵引作用下连续成型，逐渐建立稳定状态。

S3、当达到稳定状态时，坩埚4的浇注容腔41和成型容腔42两侧形成稳定的液位差，使浇注装置1的浇注速度、提升装置11速度、吹气装置8的吹气速度等保持恒定，连续均匀的生产泡沫金属夹芯材料。

优选地，根据需要生产的泡沫金属夹芯材料的形状能够调节所述成型容腔、汇流模具以及冷却结晶器的形状。以实现生产不同形状的泡沫金属夹芯材料。

优选地，S4中汇流模具9外壁和成型容腔41内壁之间的距离H可以根据需要进行调节，以实现泡沫金属夹芯材料芯部与覆层基体的体积分配控制。

优选地，所述吹气装置吹出的气体为空气、氮气、二氧化碳、Ar气或其他气体。

优选地，所述金属材料为铝、铜、铁、镍、钛、不锈钢或其他能够发泡的金属材料。

下面结合具体实施例对本发明设备使用方式具体说明：

实施例1：

S1、安装调试设备，并开启加热装置6，预热坩埚4、中间包2等，冷却结晶器10通水冷却。将成分均匀的液态铝A，利用浇注装置1开始浇注，流经中间包2后经整流罩5整流注入坩埚浇注容腔41，当坩埚浇注容腔41和成型容腔42两侧液面相平并浸没汇流模具9时，停止浇注并保温在700℃；

S2、将提升装置11下降至与铝液接触，当表面形成一层凝固坯壳时，开启吹气装置8、浇注装置1、液位检测与控制装置3，逐步在坩埚4两侧形成稳态时的50mm液位差。首先，Ar气以一定的压力和流量通过吹气装置8注入铝液中，分散的气泡上浮后被收集进入汇流模具9，到达液面后与提升装置11的底板接触并不断汇聚凝固成芯部泡沫铝C；同时，在浇注容腔41和成型容腔42两侧液位差引起的熔体静压力作用下，对汇流模具9外壁和成型容腔42内壁之间的铝液形成一个向上的反挤压压力，推动铝液(无气泡)挤入冷却结晶器10，之后在冷却结晶器10的冷却作用下在泡沫铝外侧形成金属覆盖层B，形成泡沫铝夹芯复合材料，然后在提升装置11底端凝固金属的牵引作用下连续成型，逐渐建立稳定状态。

S3、当达到稳定状态时，坩埚4的浇注容腔41和成型容腔42两侧形成稳定的液位差，浇注装置1的浇注速度、提升装置11速度、吹气装置8的吹Ar气速度等保持恒定，连续均匀的生产泡沫铝夹芯材料。

图3为本实施例中生产泡沫铝夹芯管时汇流模具的安装结构示意图，汇流模具内孔形状设置为圆形，顶端有4个周向均布的支撑筋板安装在成型容腔内壁，实现汇流模具的定位；图4为实施例1中生产泡沫铝夹芯板时汇流模具的安装结构示意图，汇流模具内孔形状设置为矩形，两侧各有1个支撑筋板安装于成型容腔内壁，实现汇流模具的定位。

最后应说明的是：以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种泡沫金属夹芯材料生产设备，其包括坩埚以及设置在所述坩埚外部的加热装置，其特征在于：

所述坩埚通过隔离装置分隔为底部相连通的用于生产泡沫金属夹芯材料的成型容腔和用于浇注金属液的浇注容腔，所述浇注容腔的高度大于所述成型容腔的高度，

所述浇注容腔的上方设置有浇注装置，所述浇注装置与所述浇注容腔的中间设置有中间包，所述浇注装置用于将金属液通过所述中间包浇注至所述浇注容腔，

所述成型容腔的上部设置有提升装置并且所述成型容腔中固定设置有汇流模具，所述提升装置能够沿垂直方向上下移动并设有与所述成型容腔内金属液接触的初始位置，所述汇流模具的外壁与所述成型容腔内壁之间具有一恒定间距H，

所述汇流模具底部设置为锥形开口，所述锥形开口的下方设置有吹气装置，所述汇流模具中的金属液通过所述锥形开口收集吹气装置吹出的气泡并形成芯部泡沫金属，所述汇流模具的外壁与所述成型容腔内壁之间的金属液通过挤压形成具有厚度δ的金属覆盖层，所述金属覆盖层与所述芯部泡沫金属经所述提升装置提升形成泡沫金属夹芯材料。

2.根据权利要求1所述的泡沫金属夹芯材料生产设备，其特征在于：所述成型容腔的上方设置有冷却结晶器，所述冷却结晶器用于对所述泡沫金属夹芯材料进行冷却。

3.根据权利要求2所述的泡沫金属夹芯材料生产设备，其特征在于：所述浇注容腔内部设置有整流罩，所述整流罩均匀设有孔或槽，所述整流罩用于对浇入的金属液进行缓冲。

4.根据权利要求1所述的泡沫金属夹芯材料生产设备，其特征在于：所述成型容腔的底部开设有用于安装所述吹气装置的通孔，所述吹气装置包括气体入口和气体出口，所述气体出口设置有多个大小形状可调的微孔。

5.根据权利要求1所述的泡沫金属夹芯材料生产设备，其特征在于：所述加热装置外部包覆有保温层，用于进行隔热和保温。

6.根据权利要求3所述的泡沫金属夹芯材料生产设备，其特征在于：所述中间包的出口设置有塞棒，所述浇注容腔中设置有液位检测与控制装置，用于检测浇注容腔中的实时液位高度，所述液位检测与控制装置设定有液位高度阈值，当检测到的液位高度与液位高度阈值不一致时，通过调节塞棒的上下位置来改变塞棒和中间包之间形成的出口面积，从而调节浇入到浇注容腔中的金属液流量。

7.一种泡沫金属夹芯材料生产方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、开启加热装置，对坩埚以及中间包进行预热，对冷却结晶器进行通水冷却，利用浇注装置浇注成分均匀的金属熔体，所述金属熔体流经中间包后经整流罩整流注入坩埚，当坩埚的浇注容腔的液面和成型容腔的液面相齐平并浸没汇流模具时，停止浇注所述金属熔体并进行保温；

S2、将提升装置下降至与金属液接触，当其下表面形成一层凝固坯壳时，开启吹气装置、浇注装置以及液位检测与控制装置，逐步在坩埚两侧形成稳态的液位差；

S3、通过吹气装置向金属液中注入一定的压力和流量的气体，在金属液中形成分散的气泡并收集进入汇流模具，所述气泡到达金属液的液面后与提升装置的下表面接触并不断汇聚凝固成芯部泡沫金属；

S4、汇流模具的外壁和成型容腔的内壁之间的金属液进入冷却结晶器，之后在冷却结晶器的冷却作用下在泡沫金属的外侧形成金属覆盖层，所述金属覆盖层与所述芯部泡沫金属经所述提升装置提升形成泡沫金属夹芯材料；以及

S5、当达到稳定状态时，浇注容腔的液面和成型容腔的液面形成稳定的液位差，保持浇注装置的浇注速度、提升装置的提升速度、吹气装置的吹气速度保持恒定，从而连续均匀的生产泡沫金属夹芯材料。

8.根据权利要求7所述的泡沫金属夹芯材料生产方法，其特征在于：根据需要生产的泡沫金属夹芯材料的形状能够调节所述成型容腔、汇流模具以及冷却结晶器的形状。

9.根据权利要求7所述的泡沫金属夹芯材料生产方法，其特征在于：步骤S4中汇流模具的外壁和成型容腔的内壁之间的间距H为10-200mm，所述金属覆盖层的厚度δ为3-15mm。

10.根据权利要求7所述的泡沫金属夹芯材料生产方法，其特征在于：所述吹气装置吹出的气体为空气、氮气、二氧化碳或者氩气，所述金属材料为铝、铜、铁、镍、钛或不锈钢。