CN109465426B - 一种高性能通孔泡沫铝材料及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高性能通孔泡沫铝材料的制备工艺，主要包括先将制备过渡性填充球体置入浇注模具中，进行振动作业、预热处理后移入负压装置，启动负压阀门使模腔形成负压，浇注已经熔融的铝合金熔液，在负压和热平衡的作用下铝合金熔液均匀渗透填满到球体与球体之间的缝隙；再冷却后，拆除模具，切割分片或造型加工，采用超声波、高压水、高压气、烘干清洗生产线清理去除过渡性填充球体，得到的铝合金基体中分布了三维贯通的球状孔腔，基体中既独立且均匀分布了规则的球状孔腔、且球状孔腔与球状孔腔之间有贯通的孔洞连接。基体比表面积大，在阻尼、吸能、隔音降噪、隔热、电磁屏蔽、抗冲击力、通透性等方面物理、力学、机械性能更佳。

Description

一种高性能通孔泡沫铝材料及其制备工艺

技术领域

本发明属于金属新材料、结构性金属材料，尤其涉及一种高性能通孔泡沫铝材料及其制备工艺。

背景技术

泡沫铝材料是一种轻质新型金属材料，其发明起源于上世纪80年代。至今，欧美发达国家以及我国的少数科研机构及企业已研制出多种生产制造工艺方法，但已形成一定规模生产的产品处于基本性能的运用，如用于吸音降噪的声屏障等。

目前泡沫铝材料基本上分为两种类型，一种是孔腔独立存在于铝或铝合金基体中的闭孔型泡沫铝，目前我国泡沫铝材料均为该类型；另一种是铝或铝合金基体中的孔腔相互连续或部分贯通，称为通孔泡沫铝或开孔泡沫铝，目前我国该技术工艺产品力学性能较差，且仍停留在研发阶段。

闭孔泡沫铝材料铝或铝合金基体中孔腔各自独立，其制备工艺大多采用熔体发泡法，如氢化物发泡法：铝或铝合金熔融-加入增粘剂(金属钙或碳化硅等) -搅拌均匀-加入发泡剂(金属氢化物)-发泡-浇注-冷却-泡沫铝块-切割-泡沫铝毛板-泡沫铝板后续深加工。此方法制备的泡沫铝材料孔腔各自独立、孔腔大小、孔壁不均匀、不规则，虽然具有一定的吸声性能，但其抗冲击、抗暴、抗震、阻尼、吸能性能较差，对液、气的通透、过滤性为零，无法用于化工过滤、排气消声方面，多应用于声屏障等隔音场所的较低端运用。

通孔泡沫铝材料铝或铝合金基体中孔腔三维贯通，通气通液，比表面积大，具有较好的隔音降噪、电磁屏蔽性能，其制备工艺大多采用渗流铸造，如(1) 熔模铸造法：三维贯通的海绵状泡沫塑料母体制备-灌注高熔点材料(石膏、莫来石、碳酸钙、酚醛树脂等混合物)-干燥硬化预制成型-高温去除泡沫塑料(蒸发)-三维通孔模型-熔融铝液或铝合金液-浇注-冷却凝固-切割-去除高熔点材料- 通孔泡沫铝毛板-泡沫铝板后续深加工。该方法对基体材料的形状具有良好继承性，孔径均匀且三维贯通，因此其隔音降噪、电磁屏蔽性能较好，但其吸能、抗冲击性相对不理想，且工艺流程较长、加工成本较高、产量较低等缺点。(2)微渗流铸造法：以工业盐为过渡性填充料-预热-熔融铝液或铝合金液-浇注-冷却凝固-切割-去除工业盐填充料-通孔泡沫铝毛板-泡沫铝板后续深加工。该方法最大的缺点是工业盐不仅对基体具有较大的腐蚀性，且盐本身含水份大、预热时间长、预热过程易产生结块及盐粉状物，使产品通孔率低、硬度差、加工性能差、材料质量及使用寿命差等，且不符合环保要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种节能环保、工艺流程短、生产成本低、投资回报率高、阻尼及力学性能更佳的高性能通孔泡沫铝材料，以解决现有制备工艺的缺陷和不足。相对于闭孔泡沫铝及熔模铸造法、粉末法等工艺所制备的通孔泡沫铝，本发明所采用的制备工艺具有产品性能更加优越、应用范围广、生产流程短、能耗低、生产成本低、节能环保等优点。

为解决上述问题，本发明提供了一种高性能通孔泡沫铝材料及其制备工艺、以及过渡性填充球体的制备方法。

一种过渡性填充球体的制备方法，主要包括：按重量称取65％-80％石膏、 15％-20％的铝矾土、5％-10％的碳酸钙、5％-10％的钠基膨润土，于混料机中充分混合，采用圆盘造粒机进行造粒，同时以均匀喷雾的方式加15％-25％的水性胶液，制成直径为2-12mm的泡沫铝过渡性填充球体，将该填充球体在80-120℃的烘干2-3h至水分完全去除，通过多级转动筛进行筛分制得所需要粒径的过渡性填充球体材料。根据通孔泡沫铝材料的性能要求填充球体直径大小控制加入混合粉料和胶液的速度，即固液比控制约为1:0.3，分别制成直径为2-12mm的泡沫铝过渡性填充球体。

过渡性填充球体配方的选用目的在于：所制得球体在铝合金熔液的浇注冲击力及在650-700℃的温度作用下不致破损粉碎，且在后期清洗时呈现疏松易冲洗清理状态。经反复对组分及添加量进行对比试验，其他组分和添加量要么球体外形成壳体，导致难以清理；要么浇注过程在铝合金熔液的冲力及温度下球体破碎，导致部分结构缺陷。

一种高性能通孔泡沫铝材料的制备工艺，主要包括：

(1)按照权利要求1所述制备方法制备过渡性填充球体；根据所制成泡沫铝材料不同的性能需求，制备不同粒径的过渡性填充球体；

(2)将过渡性填充球体分次置入浇注模具中，并利用振动装置进行振动作业，使球体与球体之间紧密接触；以利于在铝合金熔液浇注渗透球体间空隙时不致渗透球体间接触面，从而形成球体孔腔与球体孔腔之间的贯通孔；模具底部设置有能隔绝铝合金熔液且透气的沙芯；用于排除模腔气体，使浇注过程铝合金熔液渗流顺畅，防止铸造缺陷，经预热的模具配置负压装置，该负压装置包含与模具密封吻合的排气室、排气室与冷凝排气管与真空罐连通；

(3)填好过渡性填充球体的模具进行预热并使过渡性填充球体保持在 400-450℃；

(4)将填充有400-450℃过渡性填充球体的模具移入负压装置，启动负压阀门使模腔形成负压，浇注已经熔融的铝合金熔液，在负压的作用下铝合金熔液均匀渗透填满到球体与球体之间的缝隙；在负压及热平衡的作用下铝合金熔液均匀渗透填满到球体与球体间的缝隙；

(5)待已经浇注铝合金材料的模具冷却后，拆除模具，取出泡沫铝毛坯件，根据产品不同使用形状的需求，分别使用特制高速切割机或其他机加工机床对含填充球体的泡沫铝毛坯块进行切割分片或造型加工；

(6)将步骤(5)切割分片或造型加工泡沫铝毛坯块采用超声波、高压水、高压气、烘干清洗生产线清理去除过渡性填充球体后制成通孔泡沫铝板材或制品。清洗至泡沫铝制品中的填充球体完全清洗出泡沫铝制品基体外，至工件中的填充球体完全清理干净。该特制泡沫铝清洗线包含泡沫铝浸泡池、超声波清洗机、料件夹装装置、高压水清洗段、高压空气清洗段、三级沉淀池及水循环系统等。

进一步的，步骤(6)去除的过渡性填充球体可收集、烘干、煅烧、粉碎成无水粉料进行回收造粒循环利用。

进一步的，步骤(5)中所产生的切头、余料、切削、废次品铝合金料可熔融回收利用。

进一步的，步骤(3)所述预热环境温度为先在350-400℃恒温20-30分钟，然后在650-700℃恒温30-40分钟。使模具中的填充球体温度控制400-450℃。

进一步的，步骤(4)所述铝合金熔液为金属铝锭92％-99％、金属镁锭1％-8％于中频熔铝炉中熔融。

进一步的，由于泡沫铝毛坯包含填充球体，对加工精度及加工机械的锯条使用寿命造成巨大的影响。步骤(5)中采用特制数控高速切割机，采用特殊硬质合金材料、特制冷却剂对硬质合金锯条喷雾冷却。由于填充球体的存在，对锯切设备及锯条的损害非常严重，其“特制”在于设备的结构、锯条材料、以及采用喷雾状冷却装置和冷却剂。

上述制备工艺制备的高性能通孔泡沫铝材料。铝合金基体中分布了三维贯通的球状孔腔，基体中既独立且均匀分布了规则的球状孔腔、且球状孔腔与球状孔腔之间有贯通的孔洞连接。

与现有技术相比，本发明的泡沫铝材料基体均匀分布三维贯通的球状孔腔，孔腔大小及通孔率可控，形状均匀可控，且孔孔相互贯通；孔壁厚度分布均匀、且能够承受较大的外力作用；基体比表面积大，故具有较好的能量吸收性能及电磁屏蔽性能；在阻尼、吸能、隔音降噪、隔热、电磁屏蔽、抗冲击力、通透性等方面物理、力学、机械性能更佳；能广泛应用于装备制造业、航天航空业、车辆及船舶、军事工业、室内外声屏障、节能环保业等，能满足各种领域不同的使用需求。克服了闭孔泡沫铝吸能、吸音、电磁屏蔽等性能差的缺点；相对于熔模铸造法制备通孔泡沫铝，克服了工艺流程复杂、生产成本高、预制模型清洗困难、机械性能差等缺点，大幅度缩短生产流程、降低成本、提高投资回报率、减少能耗，有效提高阻尼、吸能、降噪、抗压、抗冲击、抗暴、电磁屏蔽等性能，且经济环保。

附图说明

图1是本发明的高性能通孔泡沫铝材料的结构示意图；

图2是本发明的高性能通孔泡沫铝材料的照片；

图3是本发明的高性能通孔泡沫铝材料的制备流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

实施例1

一种过渡性填充球体材料的制备方法，主要包括：按重量称取65％-80％石膏、15％-20％的铝矾土、5％-10％的碳酸钙、5％-10％的钠基膨润土，于混料机中充分混合，采用圆盘造粒机进行造粒，同时以均匀喷雾的方式加入15％-25％的水性胶液，制成直径为2-12mm的泡沫铝过渡性填充球体，将该填充球体在 80-120℃的烘干2-3h至水分完全去除，通过多级转动筛进行筛分制得所需要粒径的过渡性填充球体材料。

实施例2

一种高性能通孔泡沫铝材料的制备工艺，主要包括以下步骤：

a、按重量法，将65％-80％石膏、15％-20％的铝矾土、5％-10％的碳酸钙、 5％-10％的钠基膨润土粉料于混料机中充分均匀混合，配置15％-25％的水性胶液，采用圆盘造粒机进行造粒；根据通孔泡沫铝材料的性能要求控制过渡性填充球体直径大小：通过控制加入混合粉料和喷洒胶液的速度，分别制成直径为 2-12mm的泡沫铝过渡性填充球体；

b、将上述a所制成的过渡性填充球体在烤炉中以80-120℃的烘干2-3小时至水分完全去除，通过多级转动筛进行筛分制得所需要粒径的过渡性填充球体；

c、根据所制成泡沫铝材料不同的性能需求，将步骤b所制得的不同粒径的过渡性填充球体分次置入浇注模具中，并利用振动装置进行振动作业，迫使球体与球体之间紧密接触，以利于在铝合金熔液浇注渗透球体间空隙时不致渗透球体间接触面，从而形成球体孔腔与球体孔腔之间的贯通孔；

d、本工艺所采用模具为特制装置如图3所示，该模具底部设置有透气隔绝铝合金熔液的沙芯，用于排除模腔气体，使浇注过程铝合金熔液渗流顺畅，防止铸造缺陷，经预热的模具配置负压装置，该负压装置包含与模具密封吻合的排气室、排气室与冷凝排气管与真空罐连通；

e、将上述c填好过渡性填充球体的模具吊装入预热炉，设置预热温度 350-400℃恒温20-30分钟，然后650-700℃恒温30-40分钟，模具中的填充球体温度控制400-450℃；

f、将上述e经预热并使填充球体保持在400-450℃的模具移入负压装置，启动负压阀门使模腔形成负压，浇注已经熔融的铝合金熔液，在负压及热平衡的作用下铝合金熔液均匀渗透填满到球体与球体间的缝隙；

g、步骤f铝合金熔液系根据所生产产品的性能要求，按重量法分别为金属铝锭92％-99％、金属镁锭1％-8％于中频熔铝炉中熔融；

h、将步骤f已浇注铝合金熔液的模具移入冷却区冷却后，拆除模具，取出泡沫铝毛坯件，根据产品不同使用形状的需求，分别使用特制高速切割机或其他机加工机床对含填充球体的泡沫铝毛坯块进行切割分片或造型加工；

i、由于泡沫铝毛坯包含填充球体，对加工精度及加工机械的锯条使用寿命造成巨大的影响，故步骤h所指切割机为特制数控高速切割机，采用特殊硬质合金材料、特制冷却剂对硬质合金锯条喷雾冷却；

j、利用特制清洗生产线将经步骤h加工的泡沫铝板材或制品进行清洗至泡沫铝制品中的填充球体完全清洗出泡沫铝制品基体外，至工件中的填充球体完全清理干净，该特制泡沫铝清洗线所包含泡沫铝浸泡池、超声波清洗机、料件夹装装置、高压水清洗段、高压空气清洗段、三级沉淀池及水循环系统等。

K、将清理出的填充材料收集、烘干、煅烧、粉碎成无水粉料进行回收造粒循环利用；泡沫铝清洗生产线的水经逐级沉淀、过滤进行循环利用；切头、余料、切削、废次品铝合金料熔融回收利用。

本实施例得到的铝合金基体如图1-2所示均匀、密集、规则地排列球形通孔、孔腔直径可控、且孔孔相通、其比表面积10-45cm²/cm³，远大于闭孔及其它工艺通孔泡沫铝，因而其应用性能更加优越。

将本实施例制得的高性能通孔泡沫铝与其它品牌的泡沫铝(闭孔)进行性能比较，如表1所示。可以得出本实施例的泡沫铝的优势为：耐热、耐候性好，机加工性强、便于安装、美学性能佳。球形通孔泡沫铝的物理、力学性能明显优于闭孔泡沫铝和非规则、非球形空腔的通孔泡沫铝。

表1实施例2制得的通孔泡沫铝主要性能(比较)指标

用实施例2的泡沫铝做的芯材，与铝板粘贴复合制作的泡沫铝夹心板具有既经济环保，又有极高隔音效果的特点。采用厚度为15-30mm的泡沫铝夹心板制作的普通列车和地铁车厢的地板和侧衬，平均可以降噪30分贝以上，使车厢内噪音降低到国际标准以下，提高车内舒适度。

实施例3

将实施例2中的过渡性填充球体材料换成由序号1-8的组分来制备泡沫铝材料，实验结果如表2所示。

表2泡沫铝过渡性填充球体不同组分部分试验结果

从表2中可以得出，序号8的组分(65％-80％石膏、15％-20％的铝矾土、5％-10％的碳酸钙、5％-10％的钠基膨润土)，成球性较好，干燥后硬度适中，清洗性和成品材料基体结构均较好，得到的泡沫铝材料基体孔洞规则圆滑、通孔状态良好。

Claims (6)

1.一种高性能通孔泡沫铝材料的制备工艺，其特征在于，包括：

（1）按重量称取65%石膏、15%-20%的铝矾土、5%-10%的碳酸钙、5%-10%的钠基膨润土，于混料机中充分混合，采用圆盘造粒机进行造粒，同时以均匀喷雾的方式加入15%-25%的水性胶液，制成直径为2-12mm的泡沫铝过渡性填充球体，然后在80-120℃的烘干2-3h至水分完全去除，通过多级转动筛进行筛分制得所需要粒径的过渡性填充球体；

（2）将过渡性填充球体分次置入浇注模具中，并利用振动装置进行振动作业，使球体与球体之间紧密接触；模具底部设置有能隔绝铝合金熔液且透气的砂芯；

（3）对填好过渡性填充球体的模具进行预热并使过渡性填充球体保持在400-450℃；

（4）将填充有400-450℃过渡性填充球体的模具移入负压装置，启动负压阀门使模腔形成负压，浇注已经熔融的铝合金熔液，在负压和热平衡的作用下铝合金熔液均匀渗透填满到球体与球体之间的缝隙；

（5）待已经浇注铝合金材料的模具冷却后，拆除模具，取出泡沫铝毛坯件，根据产品不同使用形状的需求，分别使用特制数控高速切割机或其他机加工机床对含填充球体的泡沫铝毛坯块进行切割分片；

（6）对步骤（5）切割分片泡沫铝毛坯块采用超声波、高压水、高压气、烘干清洗生产线清理去除过渡性填充球体后制成通孔泡沫铝制品。

2.根据权利要求1所述制备工艺，其特征在于，将步骤（6）去除的过渡性填充球体收集、烘干、煅烧、粉碎成无水粉料进行回收造粒循环利用。

3.根据权利要求1所述制备工艺，其特征在于，步骤（5）中所产生的废次品铝合金料熔融回收利用。

4.根据权利要求1所述制备工艺，其特征在于，步骤（3）的预热条件为先在350-400℃恒温20-30分钟，然后在650-700℃恒温30-40分钟。

5.根据权利要求1所述制备工艺，其特征在于，步骤（4）所述铝合金熔液由金属铝锭92%-99%、金属镁锭1%-8%于中频熔铝炉中熔融。

6.根据权利要求1所述制备工艺制备的高性能通孔泡沫铝材料。

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