CN108179300B - 一种泡沫镁夹芯板的制备方法 - Google Patents

一种泡沫镁夹芯板的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于层状复合材料制备领域，公开了一种泡沫镁夹芯板的制备方法。具体步骤如下：首先，将镁合金熔化并保温；其次，将得到的镁合金熔体温度降温到一定值后，向其中加入稳定剂和发泡剂并搅拌均匀后，以一定的急冷速率急冷一段时间，得到可发泡预制坯；而后，将可发泡预制坯嵌入铝套后进行轧制，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构；最后，将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内进行快速发泡，即可制得具有冶金结合界面的镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。该夹芯板极大地提高了泡沫镁材料的力学性能和抗腐蚀性能，拓宽泡沫镁材料的应用范围。

Description

一种泡沫镁夹芯板的制备方法
技术领域
本发明属于层状复合材料制备领域，具体涉及一种泡沫镁夹芯板的制备方法。
背景技术
以泡沫镁为芯材、以铝板为面板制成的三明治式复合结构，简称泡沫镁夹芯板。泡沫镁夹芯板作为一种新型的泡沫金属材料，具有相对密度小、重量轻、比强度高、比刚度高等优良的力学性能，是一种轻质的结构材料，同时，又具有吸音消声、阻尼减震、电磁屏蔽、隔热等优良的物理性能，是一种多功能兼用的功能材料，其在交通运输、航空航天和建筑等领域具有广泛的应用前景。
目前，制备泡沫镁夹芯板的报道较少，主要是制备泡沫铝夹芯板的方法。现有制备泡沫铝夹芯板的方法有粉末包覆轧制法和液相铸轧法。德国专利DE4426627C2公开了一种粉末包覆轧制法制备泡沫铝夹芯板材的方法。该方法首先将铝粉与发泡剂、添加剂进行充分混合，然后将混合物经冷等静压压制成密实的预制坯体，再经挤压、包覆后通过热轧和冷轧使预制坯体与面板复合，最后放入发泡炉内并使温度升至预制坯体所用基体金属的固相线以上并保温一定时间，利用发泡剂分解产生的气体在熔融状态下的芯层内部形成无数的气孔，经冷却可得到泡沫铝夹芯板材料。
发明专利CN101905326A公布了一种泡沫铝夹芯板制备方法。该方法首先将雾化法制得的铝-硅合金粉末与一定比例的发泡剂粉和金属镁粉混合均匀，灌装于一封闭的薄壁钢(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，预制坯在模具中受限发泡得到泡沫铝夹芯板。
发明专利CN200510052089具体公开了一种泡沫金属的铸轧连续生产方法，采用熔体二次发泡的方式制备泡沫铝夹芯板。这种方法首先将45#钢和纯铝分别在1450℃和720℃下熔化，然后在铝熔体中加入增黏剂和发泡剂，通过搅拌使它们在铝熔体中均匀分散。再将45#钢和铝熔体浇入4挡板的立式两辊轧机并进行轧制，得到钢/铝/钢夹层板发泡前躯体带材，该带材再经二次加热和发泡，可得到钢/泡沫铝/钢复合的泡沫铝夹芯板。
上述制备泡沫铝夹芯板的技术中由于采用粉末冶金和液相铸轧等方法使得生产设备复杂，工艺流程较长，制作成本高，坯料损失率较高，并且泡沫铝夹芯板的厚度和芯层结构也不易控制。本发明在制备泡沫铝夹芯板的方法上改进提出了一种制备泡沫镁夹芯板的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种泡沫镁夹芯板的制备方法，可提高制品的成材率，并获得厚度可控，具有冶金结合界面的泡沫镁夹芯板。首先，将镁合金熔化并保温；其次，将得到的镁合金熔体温度降温到一定值后，向其中加入稳定剂和发泡剂并搅拌均匀后，以一定的急冷速率急冷一段时间，得到可发泡预制坯；而后，将可发泡预制坯嵌入铝套后进行轧制，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构；最后，将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内进行快速发泡，即可制得具有冶金结合界面的镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
本发明的具体技术方案为：
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁合金在700～750℃下熔化并保温10～20min，形成镁合金熔体；上述镁合金的成分为Mg-Al-Ca的镁铝钙三元合金，其中Al占所用镁合金的质量百分比为8～14％，Ca占所用镁合金的质量百分比为1～5％，余量为Mg；
(2)将上述镁合金熔体温度降至580～600℃，向其中加入稳定剂和发泡剂并搅拌均匀；或者不添加稳定剂，只加入发泡剂并搅拌均匀；将搅拌均匀的镁合金熔体以15～30℃/s的速率急冷5～10min，得到可发泡预制坯；
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成与铝套尺寸相匹配的规格后嵌入到铝套中，进行轧制包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构；
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在600～620℃下发泡2～10min，制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
所述可发泡预制坯为孔隙率小于20％的可发泡预制坯。
进一步地，步骤(2)中先加入稳定剂，然后再加入发泡剂；或者先将稳定剂和发泡剂均匀混合后再一起加入到镁熔体之中。
进一步地，在步骤(2)中加入的稳定剂和发泡剂在400～450℃条件下预热2～4h后再加入到镁熔体之中。
进一步地，在步骤(2)中加入的稳定剂是碳化硅粉、氧化铝粉、氧化钛粉、硼化钛粉、碳化硼粉、碳化锆粉中的一种或几种，其中稳定剂加入量占所用镁合金的质量百分比为2～10％，粒度为5～80μm。
进一步地，步骤(2)中的搅拌速度为500～2500r/min，搅拌时间为2～5min。
进一步地，步骤(2)中加入的发泡剂是碳酸镁或碳酸钙，其中碳酸镁的加入量占所用镁合金的质量百分比为1～5％，粒度为30～150μm；碳酸钙的加入量占所用镁合金的质量百分比为2～6％，粒度为30～75μm。
进一步地，步骤(3)中轧制的方法为热轧、冷轧或先热扎后冷轧中的一种；其中，热轧的温度小于400℃。
进一步地，步骤(3)中嵌入可发泡预制坯的铝套材质为1系列、3系列、5系列、6系列中的一种。
进一步地，步骤(3)中在发泡预制坯与铝套匹配之前，需对铝套管内壁和可发泡预制坯表面进行处理，其中铝套管内壁的处理方式为碱洗后对铝套管内壁进行打磨，除去氧化层并形成粗糙表面；可发泡预制坯表面的处理方式为打磨，除去氧化皮后再嵌入到处理后的铝套中。
进一步地，步骤(3)中的铝套为矩形管或圆管，铝套管的厚度为1-10mm；嵌入与铝套相匹配的预制坯后，铝套管的封装方式为两端都开口、两端都封闭或一端开口另一端封闭中的一种。
本发明的有益效果在于：
1.本发明制备的泡沫镁夹芯板，其面板与芯层泡沫之间能够实现冶金结合，极大地提高了泡沫镁材料的力学性能和耐腐蚀能力，拓宽泡沫镁材料的应用范围。
2.本发明是在镁合金熔化的情况下搅拌加入稳定剂和发泡剂，使稳定剂和发泡剂在预制坯中分布均匀，最终可获得气泡分布均匀、大小一致的泡沫镁夹芯板。
3.本发明是将可发泡预制坯嵌入到铝套中，可避免预制坯在轧制过程中与铝套之间产生位移，减少了轧制后坯料边部产生的自由边界，提高了可发泡预制坯和铝套的利用率。
4.本发明通过控制铝套的规格，可制备不同厚度的泡沫镁夹芯板，且制备工序能实行自动控制，为泡沫镁夹芯板的半连续化制备奠定了基础。
5.本发明采用液相混合轧制包覆制备泡沫镁夹芯板，工艺相对简单，制造成本较低。
附图说明
图1为本发明的一种泡沫镁夹芯板制备的方法的工艺流程图。
具体实施方式
下面通过实施例继续描述本发明的技术内容。
实施例1
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为8％，Ca占所用镁合金的质量百分比为5％的镁铝钙三元合金为基体，在750℃下熔化并保温10min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至600℃，先向其中加入稳定剂碳化硅粉后再加入发泡剂碳酸镁，并搅拌均匀，搅拌速度为500r/min，搅拌时间为5min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以30℃/s的速率急冷5min，得到可发泡预制坯。稳定剂碳化硅粉和发泡剂碳酸镁需在400℃的条件下预热4h后再加入到镁熔体之中，其中加入碳化硅粉占所用镁合金的质量百分比为2％，粒度为5μm，加入碳酸镁占所用镁合金的质量百分比为1％，粒度为30μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合矩形管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由1系列铝面板制成的两端都开口的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后，冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在620℃下发泡2min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例2
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为14％，Ca占所用镁合金的质量百分比为1％的镁铝钙三元合金为基体，在700℃下熔化并保温20min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至580℃，向其中加入均匀混合的稳定剂氧化铝粉和发泡剂碳酸钙，并搅拌均匀，搅拌速度为2500r/min，搅拌时间为2min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以15℃/s的速率急冷10min，得到可发泡预制坯。稳定剂氧化铝粉和发泡剂氢化钛需在450℃的条件下预热2h后再加入到镁熔体之中，其中加入氧化铝粉占所用镁合金的质量百分比为10％，粒度为80μm；加入碳酸钙占所用镁合金的质量百分比为2％，粒度为75μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合圆管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由6系列铝面板制成的一端开口的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后，冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在600℃下发泡10min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例3
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为11％，Ca占所用镁合金的质量百分比为3％的镁铝钙三元合金为基体，在710℃下熔化并保温15min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至585℃，先向其中加发泡剂碳酸镁，并搅拌均匀，搅拌速度为1500r/min，搅拌时间为3min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以20℃/s的速率急冷8min，得到可发泡预制坯。发泡剂碳酸镁需在420℃的条件下预热3h后再加入到镁熔体之中，且碳酸镁得加入量占所用镁合金的质量百分比为5％，粒度为90μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合矩形管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由3系列铝面板制成的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后将铝套两端封死后，先于350℃下热轧后再冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在610℃下发泡6min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例4
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为10％，Ca占所用镁合金的质量百分比为4％的镁铝钙三元合金为基体，在725℃下熔化并保温12min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至590℃，先向其中加入稳定剂氧化钛粉后再加入发泡剂碳酸钙，并搅拌均匀，搅拌速度为2000r/min，搅拌时间为3min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以25℃/s的速率急冷7min，得到可发泡预制坯。稳定剂氧化钛粉和发泡剂碳酸钙需在420℃的条件下预热1.5h后再加入到镁熔体之中，其中加入氧化钛粉占所用镁合金的质量百分比为6％，粒度为45μm，加入碳酸钙占所用镁合金的质量百分比为6％，粒度为150μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合圆管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由5系列铝面板制成的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后将铝套两端封死后，先于220℃下热轧后再冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在615℃下发泡4min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例5
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为9％，Ca占所用镁合金的质量百分比为4％的镁铝钙三元合金为基体，在720℃下熔化并保温15min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至595℃，向其中加入均匀混合的稳定剂硼化钛粉和发泡剂碳酸镁，并搅拌均匀，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为4min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以16℃/s的速率急冷9min，得到可发泡预制坯。稳定剂硼化钛粉和发泡剂碳酸镁需在430℃的条件下预热2.5h后再加入到镁熔体之中，其中加入硼化钛粉占所用镁合金的质量百分比为7％，粒度为60μm；加入碳酸镁占所用镁合金的质量百分比为3％，粒度为100μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合圆管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由3系列铝面板制成的一端开口的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后，在390℃下热轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在605℃下发泡3min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例6
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为11％，Ca占所用镁合金的质量百分比为4％的镁铝钙三元合金为基体，在740℃下熔化并保温14min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至585℃，先向其中加发泡剂碳酸钙，并搅拌均匀，搅拌速度为2500r/min，搅拌时间为2min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以28℃/s的速率急冷6min，得到可发泡预制坯。发泡剂碳酸钙需在440℃的条件下预热2h后再加入到镁熔体之中，且碳酸钙得加入量占所用镁合金的质量百分比为4％，粒度为55μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合圆管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由1系列铝面板制成的两端都开口的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后，先于250℃下热轧后再冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在615℃下发泡4min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例7
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为12％，Ca占所用镁合金的质量百分比为3％的镁铝钙三元合金为基体，在740℃下熔化并保温14min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至595℃，向其中加入均匀混合的稳定剂碳化硼粉和发泡剂碳酸镁，并搅拌均匀，搅拌速度为2300r/min，搅拌时间为4min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以25℃/s的速率急冷7min，得到可发泡预制坯。稳定剂碳化硼粉和发泡剂碳酸镁需在410℃的条件下预热3.5h后再加入到镁熔体之中，其中加入碳化硼粉占所用镁合金的质量百分比为8％，粒度为75μm；加入碳酸镁占所用镁合金的质量百分比为2％，粒度为80μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合矩形管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由5系列铝面板制成的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好，将铝套管两端封死后，先于320℃下热轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在595℃下发泡9min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
实施例8
一种泡沫镁夹芯板的制备方法，按以下步骤进行：
(1)以Al占所用镁合金的质量百分比为13％，Ca占所用镁合金的质量百分比为4％的镁铝钙三元合金为基体，在735℃下熔化并保温16min，形成镁合金熔体。
(2)将上述镁合金熔体温度降至585℃，先向其中加入稳定剂碳化锆粉后再加入发泡剂碳酸钙，并搅拌均匀，搅拌速度为2800r/min，搅拌时间为2min，之后将搅拌均匀的镁合金熔体以28℃/s的速率急冷6min，得到可发泡预制坯。稳定剂碳化锆粉和发泡剂碳酸钙需在420℃的条件下预热后再加入到镁熔体之中，其中加入碳化锆粉占所用镁合金的质量百分比为7％，粒度为50μm，加入碳酸钙占所用镁合金的质量百分比为5％，粒度为60μm。
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成符合圆管铝套的规格，再将可发泡预制坯表面进行打磨，除去氧化皮后嵌入到由6系列铝面板制成的铝套中，使预制坯与铝套间匹配好后将铝套两端封死后，先于220℃下热轧后再冷轧包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构。上面铝套在嵌入可发泡预制坯之前，需对铝套管内壁先碱洗后再进行钢丝刷打磨，使铝套管与预制坯间更好地匹配。
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在605℃下发泡8min，即可制得制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。

Claims (7)

1.一种泡沫镁夹芯板的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将镁合金在700～750℃下熔化并保温10～20min，形成镁合金熔体；上述镁合金的成分为Mg-Al-Ca的镁铝钙三元合金，其中Al占所用镁合金的质量百分比为8～14％，Ca占所用镁合金的质量百分比为1～5％，余量为Mg；
(2)将上述镁合金熔体温度降至580～600℃，向其中加入稳定剂和发泡剂并搅拌均匀；先加入稳定剂，然后再加入发泡剂；或者先将稳定剂和发泡剂均匀混合后再一起加入到镁熔体之中；加入的稳定剂和发泡剂在400～450℃条件下预热2～4h后再加入到镁熔体之中；将搅拌均匀的镁合金熔体以15～30℃/s的速率急冷5～10min，得到可发泡预制坯；
(3)将上述所得可发泡预制坯切割成与铝套尺寸相匹配的规格后嵌入到铝套中，进行轧制包覆，得到夹有预制坯的可发泡夹芯结构；
(4)将上述可发泡夹芯结构放入红外线发泡炉内在600～620℃下发泡2～10min，制得镁/铝复合的泡沫镁夹芯板。
2.根据权利要求1所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，在步骤(2)中加入的稳定剂是碳化硅粉、氧化铝粉、氧化钛粉、硼化钛粉、碳化硼粉、碳化锆粉中的一种或几种，其中稳定剂加入量占所用镁合金的质量百分比为2～10％，粒度为5～80μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，步骤(2)中加入的发泡剂是碳酸镁或碳酸钙，其中碳酸镁的加入量占所用镁合金的质量百分比为1～5％，粒度为30～150μm；碳酸钙的加入量占所用镁合金的质量百分比为2～6％，粒度为30～75μm。
4.根据权利要求1或2所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，步骤(3)中轧制的方法为热轧、冷轧或先热扎后冷轧中的一种；其中，热轧的温度小于400℃。
5.根据权利要求4所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，步骤(3)中嵌入可发泡预制坯的铝套材质为1系列、3系列、5系列、6系列中的一种。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，步骤(3)中在可发泡预制坯与铝套匹配之前，对铝套管内壁和可发泡预制坯表面进行处理，其中铝套管内壁的处理方式为碱洗后对铝套管内壁进行打磨，除去氧化层并形成粗糙表面；可发泡预制坯表面的处理方式为打磨，除去氧化皮后再嵌入到处理后的铝套中。
7.根据权利要求6所述的一种泡沫镁夹芯板的 制备方法，其特征在于，步骤(3)中的铝套为矩形管或圆管，铝套管厚度为1-10mm；嵌入与铝套相匹配的预制坯后，铝套管的封装方式为两端都开口、两端都封闭或一端开口另一端封闭中的一种。
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