CN109338143A - 一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法 - Google Patents

一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，制备方法为，以可塑性变形的金属颗粒为载体，连同发泡剂及增强相进行球磨，制备得发泡混合体，将铝或铝合金熔体置入发泡槽内，无需添加任何增粘剂，在指定温度下，添加适量铝箔包裹的发泡混合体，并进行高速搅拌，制备待发泡铝合金熔体，对整个发泡槽进行保温，达到指定保温发泡时间后，平稳取出发泡槽，对发泡槽实施冷却，获得泡沫铝材料，该发明可实现铝或铝合金熔体在无增粘状态下的直接发泡，缩短了泡沫铝材料的生产周期，降低成本；此外，铝或铝合金熔体在无增粘状态下发泡，强化了泡沫铝材料的韧性。

Description

一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法
技术领域
本发明涉及一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，属于泡沫金属材料技术领域。
背景技术
泡沫铝因其独特的多孔结构具有许多优良的性能，如低密度、高比刚度、减震吸能、隔热吸声、电磁屏蔽等，因此泡沫铝可用于车辆框架和前后保险杠的填充达到提高操控舒适性和驾驶安全性的要求，用于军事装甲车的防护装甲既可强化其冲击防护能力又可提高外壳的电磁屏蔽能力。
目前，泡沫铝材料的工业化制备多采用熔体发泡法，其基本工序为：熔化、增粘、搅拌发泡、保温和冷却，其中对铝合金熔体进行增粘处理是必不可少的，这也使泡沫铝材料的生产周期较长，且长时间的搅拌增粘会在铝合金熔体内部生成复合氧化物，促使泡沫铝材料承受压缩载荷时向脆性压缩特性转变，降低材料的吸能特性。另一方面，增粘工序中采用的金属钙价格高昂，使泡沫铝材料的生产成本居高不下。
因此，寻求新的泡沫铝材料制备工艺，缩短泡沫铝材料的生产周期，降低泡沫铝材料生产成本，强化泡沫铝材料的压缩吸能特性是工业生产中亟需解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，可实现泡沫铝材料在铝或铝合金熔体无增粘状态下的发泡制备。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案为：
一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
（1）制备发泡混合体：
以可塑性变形的金属颗粒为载体，连同发泡剂及增强相进行球磨，使发泡剂和增强相镶嵌吸附在金属颗粒载体上；
（2）制备待发泡铝合金熔体：
将铝或铝合金熔体置入发泡槽内，无需添加任何增粘剂，在指定温度下，添加适量铝箔包裹的发泡混合体，并进行高速搅拌，促使发泡混合体的均匀分散；
（3）保温发泡：
取出搅拌设备，并对整个发泡槽进行恒温控制；
（4）冷却成形：
达到指定保温发泡时间后，平稳取出发泡槽，并对发泡槽实施冷却，获得泡沫铝材料。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，可塑性变形的金属颗粒载体为铝、铜、镁及其合金中的一种或其任意组合，金属颗粒粒度为80~400目，发泡剂为TiH2与CaCO3两者任意比例组合，发泡剂粒度200~600目，用量为所占发泡混合体重量百分比的5~20%，增强相为SiC、Al2O3、TiC、TiB2、B4C或石墨烯中的一种或多种组分任意组合，尺寸＜10μm，用量为所占发泡混合体重量百分比的0~30%，发泡混合体中金属颗粒载体、发泡剂、增强相三者的重量百分比之和为100%；
其一，采用的载体为可塑变形的金属颗粒，球磨工艺可以使TiH2和CaCO3两种发泡剂均匀镶嵌吸附在金属颗粒载体上，促使步骤（2）中两种发泡剂在铝或铝合金熔体内的分散；
其二，强化泡沫铝材料的增强相可以同时添加在发泡混合体中，且制备成的发泡混合体呈颗粒状，降低了单独添加增强相引起的损耗；
其三，采用TiH2和CaCO3两种发泡剂，添加TiH2目的是少量该物质即可在熔体内产生大量孔泡，添加CaCO3目的是该物质受热释放CO2气体，在熔体内形成孔泡的同时还可与铝熔体在气液界面处发生氧化反应，生成Al2O3膜，有助于强化液态孔泡的稳定性能。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采用球磨工艺，球料比为5:1~10:1，球磨转速为300~1200r/min，球磨时间为5~24h，球材质为实心304不锈钢，直径尺寸为3~15mm，料指的是金属颗粒载体、发泡剂、增强相三者。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，铝或铝合金熔体在加入发泡混合体之前无需进行任何工序的增粘，与已有技术相比，本发明在添加发泡混合体之前不需对铝或铝合金熔体进行任何增粘操作，可利用孔泡气液界面处生成的Al2O3膜强化液态孔泡的稳定性能。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，发泡混合体添加的指定温度为660~750℃，利于TiH2、CaCO3的分解，发泡混合体添加量为铝或铝合金熔体重量百分比的5~12%，搅拌混合时间为1~4min，搅拌转速为2500~4000r/min。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，按重量均分定量发泡混合体4~8份并用铝箔包裹，搅拌开始后，每隔5~20s将每等份包裹后的发泡混合体加入正在搅拌的铝或铝合金熔体中，直至发泡混合体添加量满足上述要求中发泡混合体添加量的要求。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，发泡槽的恒温控制温度范围为670~750℃，保温发泡控制时间为2~15min，利于TiH2、CaCO3的分解。
所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，发泡槽的冷却采用风冷、水雾冷却中的一种或风冷与水雾冷却并存的冷却方式。
所述的冷却方式，其特征在于：冷却方式中风冷风速为0.5~10m/s，水雾冷却中水流量为0.4~3.0L/min。
发明专利CN104018021A、CN106399740A、CN1320710A公开了一种泡沫铝的制备方法，上述方法均采用熔体发泡法且需要对铝合金熔体用金属单质或Al2O3进行增粘。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
其一，本发明采用发泡混合体替代传统单一发泡剂，发泡混合体由三种组分组成，经过球磨工艺后，发泡剂和增强相镶嵌吸附在载体颗粒上，加入铝或铝合金熔体后，发泡混合体中镶嵌的发泡剂遇热分解，产生高压气体，促进增强相在铝或铝合金熔体内的均匀分散；
其二，发泡剂采用TiH2和CaCO3两种，CaCO3受热释放CO2气体在熔体内形成孔泡的同时还可与铝或铝合金熔体在气液界面处发生氧化反应，生成Al2O3膜，有助于强化液态孔泡的稳定性能；
其三，发泡混合体中的镶嵌的异质增强相可以降低铝或铝合金熔体内气泡的临界形核能垒，增加待发泡铝或铝合金熔体内微泡的形核数量，实现减缓液态泡沫内熔体的析液现象，达到强化液态泡沫稳定性的作用。
本发明可实现铝或铝合金熔体在无增粘状态下的直接发泡，避免了增粘剂的添加，有效缩短了泡沫铝材料的制备流程，降低了泡沫铝材料的制备成本，同时，无增粘制备方法可有效缩短铝或铝合金熔体的搅拌时间，降低熔体的氧化程度，避免泡沫铝材料向脆性压缩特性转变。
附图说明
图1是一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法流程图。
具体实施方式
实施例1。
一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法：
（1）将10g平均尺寸为2μm的SiC、3.2g粒度为400目的TiH2、3.2g粒度为400目的CaCO3以及33.6g粒度为400目的Al粉，以5:1的球料比，400r/min的转速，连续球磨6h进行制备发泡混合体，并将发泡混合体按重量均分为4等份，并用铝箔包裹；
（2）取800g牌号为1070的纯铝熔体，待温度恒定在710℃且大于0.5h时，开启搅拌设备将1等份铝箔包裹的发泡混合体加入铝熔体并开始计时，其后每隔10s将剩余3份发泡混合体依次加入铝熔体，待1min后，关闭搅拌系统并将搅拌桨取出；
（3）关闭炉盖进行保温发泡，调整炉腔温度为710℃，待保温发泡时间到达3min时，打开炉盖，平稳取出发泡槽；
（4）对发泡槽外壁进行水雾冷却，共计4个喷头均布于发泡槽外壁，控制总水流速度为5L/min；
（5）待发泡槽冷却，得到泡沫铝材料。
实施例2。
一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法：
（1）将2g多层石墨烯、8g粒度为325目的TiH2以及40g粒度为400目的Al粉，以7:1的球料比，500r/min的转速，连续球磨6h进行制备发泡混合体，并将发泡混合体按重量均分为5等份，并用铝箔包裹；
（2）取800g牌号为1070的纯铝熔体，待铝熔体温度恒定在680℃且大于0.5h时，开启搅拌设备将1等份铝箔包裹的发泡混合体加入铝熔体并开始计时，其后每隔10s将剩余4份发泡混合体依次加入铝熔体，待1.5min后，关闭搅拌系统并将搅拌桨取出；
（3）关闭炉盖进行保温发泡，调整炉腔温度为680℃，待保温发泡时间到达2min时，打开炉盖，平稳取出发泡槽；
（4）对发泡槽进行风冷，控制风速3m/s；
（5）待发泡槽冷却，得到泡沫铝材料。

Claims (9)

1.一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
（1）制备发泡混合体：
以可塑性变形的金属颗粒为载体，连同发泡剂及增强相进行球磨，使发泡剂和增强相镶嵌吸附在金属颗粒载体上；
（2）制备待发泡铝合金熔体：
将铝或铝合金熔体置入发泡槽内，无需添加任何增粘剂，在指定温度下，添加适量铝箔包裹的发泡混合体，并进行高速搅拌，促使发泡混合体的均匀分散；
（3）保温发泡：
取出搅拌设备，并对整个发泡槽进行恒温控制；
（4）冷却成形：
达到指定保温发泡时间后，平稳取出发泡槽，并对发泡槽实施冷却，获得泡沫铝材料。
2.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，可塑性变形的金属颗粒载体为铝、铜、镁及其合金中的一种或其任意组合，金属颗粒粒度为80~400目，发泡剂为TiH2与CaCO3两者任意比例组合，发泡剂粒度200~600目，用量为所占发泡混合体重量百分比的5~20%，增强相为SiC、Al2O3、TiC、TiB2、B4C或石墨烯中的一种或多种组分的任意组合，尺寸＜10μm，用量为所占发泡混合体重量百分比的0~30%，发泡混合体中金属颗粒载体、发泡剂、增强相三者的重量百分比之和为100%。
3.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，采用球磨工艺，球料比为5:1~10:1，球磨转速为300~1200r/min，球磨时间为5~24h。
4.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，铝或铝合金熔体在加入发泡混合体之前无需进行任何工序的增粘。
5.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，发泡混合体添加的指定温度为660~750℃，发泡混合体添加量为铝或铝合金熔体重量百分比的5~12%，搅拌混合时间为1~4min，搅拌转速为2500~4000r/min。
6.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，按重量均分定量的发泡混合体4~8份并用铝箔包裹，搅拌开始后，每隔5~20s将每等份包裹后的发泡混合体加入正在搅拌的铝或铝合金熔体中，直至发泡混合体添加量满足权利要求5中发泡混合体添加量的要求。
7.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述的步骤（3）中，发泡槽的恒温控制温度范围为670~750℃，保温发泡控制时间为2~15min。
8.根据权利要求1所述的一种闭孔泡沫铝材料的无增粘制备方法，其特征在于：所述的步骤（4）中，发泡槽的冷却采用风冷、水雾冷却中的一种或风冷与水雾冷却并存的冷却方式。
9.根据权利要求8所述的冷却方式，其特征在于：冷却方式中风冷风速为0.5~10m/s，水雾冷却中水流量为0.4~3.0L/min。
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