CN112746192A - 一种发泡剂及制备方法和制备泡沫铝或铝合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发泡剂及制备方法和制备泡沫铝或铝合金的方法。该发泡剂的制备方法为：将一定粒径的MgCO₃粉末与另一种载体金属粉末按一定比例混合后进行球磨，该载体粉末既能与铝或铝合金润湿又具有良好的塑性。在球磨过程中能够将MgCO₃粉末镶嵌在载体金属颗粒表层或包裹入内部，形成以载体金属表面或内部载有细小MgCO₃颗粒的复合体。避免了MgCO₃发泡剂在制备泡沫金属过程中由于比重相对较低且不被金属熔体润湿而溢出，造成环境污染以及所制备的产品孔结构不均匀等问题，同时具有良好的增粘效果，得到泡沫铝或铝合金具有光洁的致密表层，厚度为0.5～2mm，内部孔隙率为40～88％。该发泡剂成本低、无污染，且可用做增粘剂替代Ca粒或SiC颗粒，进一步节约成本。

Description

一种发泡剂及制备方法和制备泡沫铝或铝合金的方法

技术领域

本发明涉及一种发泡剂及制备方法和制备泡沫铝或铝合金的方法。

背景技术

目前，泡沫铝或铝合金是一种基体内随机分布着封闭孔洞的新型金属材料。它集质轻、隔声、隔热、吸能减震、比强度高等特性于一体，是一种具备多种优良性能的综合性材料。其在航空航天、轨道交通、生物医疗、建筑和军事等领域具有十分广阔的应用前景。例如航天飞船的返回舱座椅、发动机减震支架、高速公路隔声屏障、建筑装饰的墙板等领域都应用了泡沫金属材料。

泡沫铝或铝合金的制备方法有很多，例如熔体发泡法、渗流铸造法、熔模铸造法、粉末冶金法、二次发泡法、压力铸造法等。由于熔体发泡法具有成本低、工艺简便的特点，被作为生产泡沫铝及铝合金的主要方法之一。在泡沫金属材料的制备过程中，发泡剂是影响熔体发泡过程的重要因素，传统的发泡剂有TiH₂、ZrH₂、MgH₂、CaCO₃、MgCO₃等，但都存在各自的问题。例如CN 107254597B公开了一种熔体发泡法制备铝合金的新型发泡剂，该专利中使用酚醛树脂对TiH₂进行包覆，延迟了TiH₂分解温度，但TiH₂成本较高，后续的处理再次提升了成本。CN 101338388公开了一种利用CaCO₃作为发泡剂制备泡沫铝的方法，CaCO₃既作为发泡剂又作为增粘剂使用，大大降低了发泡成本。但是Ca粒成本较高，且CaCO₃的分解温度较高，增加了冷却时间，加剧了排液作用对孔结构稳定性的影响。CN 108467961A公开了一种硫酸铜或硫酸铜混合物的新型发泡剂，但是该发泡剂分解产生SO₂对环境产生污染。此外MgCO₃作为一种发泡剂由于不被铝合金熔体润湿，且自身比重较纯铝及铝合金低，在发泡过程中容易浮在熔体表面，导致搅拌时有大量的MgCO₃粉末溢出，影响发泡过程且造成环境污染。

发明内容

本发明公开了一种发泡剂及制备方法和制备泡沫铝或铝合金的方法，以解决现有技术的上述问题或其他潜在问题中的任意问题。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是：一种发泡剂，所述发泡剂包括：MgCO₃粉末和载体金属粉末，二者的比例为(0.1～10)：1。

进一步，所述MgCO₃粉末的粒径为1～300μm，所述载体金属粉末的粒径为1～300μm。

进一步，所述载体金属粉末包括Cu、Al、Mg、Fe及其合金中的一种。

本发明还提供一种制备上述的发泡剂的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分比例分别称取MgCO₃粉末和载体金属粉末，搅拌均匀，得到混合物料；

S2)将S1)得到混合物料置于球磨机中，在球磨转速为20～200r/min，球磨时间为1～72h，即得到发泡剂。

本发明的另一目的还提供一种采用上述发泡剂制备泡沫铝或铝合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备铝或铝合金的金属熔体；

步骤2：加入增粘剂对步骤1制备的金属熔体进行增粘处理；

步骤3：向经步骤2处理后的金属熔体中加入发泡剂，搅拌进行发泡，保温，冷却后即得到发泡铝或铝合金。

进一步，所述泡沫铝或铝合金具有光洁的致密表层，厚度为0.5～2mm，内部孔隙率为40～88％。

进一步，所述铝合金为铝铜合金、铝硅合金、铝镁合金、铝锌合金、铝钪合金中的一种。

进一步，所述步骤1的具体工艺为：将铝或铝合金在模具中加热至熔融，并在550～680℃保温25～35min，得到金属熔体；

进一步，所述步骤2中的增粘剂为Ca粒或发泡剂，加入量为占金属熔体的0.5～10wt％；加入后以400～1000rpm的转速搅拌5～10min。

进一步，所述步骤3的具体工艺为：再加入占金属熔体的0.5～10wt％的发泡剂，以800～1500rpm的转速搅拌0.5～3min，保温20～90s，冷却。

本发明的有益效果：由于采用上述技术方案，本发明具有以下特点，本发明的发泡剂热分解温度接近纯铝或铝合金的熔点，符合良好的发泡剂特性；载体粉末既能与纯铝或铝合金润湿又具有良好的塑性。在球磨过程中能够将MgCO₃粉末镶嵌在颗粒表层或包裹入内部，形成以载体表面或内部载有细小MgCO₃颗粒的复合体。避免了MgCO₃发泡剂在制备泡沫金属过程中由于不被金属熔体润湿而溢出，造成环境污染以及所制备的产品孔结构不均匀等问题，同时具有良好的增粘效果。该新型发泡剂成本低、无污染，且可用做增粘剂替代Ca粒或SiC颗粒，进一步节约成本。

附图说明

图1为本发明的实施例1中制备的发泡剂的微观形貌及元素分布扫描电镜图。

图2为本发明的实施例1中制备的发泡剂的DSC-TG曲线图。

图3为本发明实施例5中利用实施例1的新型发泡剂与MgCO₃发泡剂在发泡过程中的对比图；

图3a为MgCO₃；图3b实施例1的新型发泡剂。

图4为本发明实施例5中用该新型发泡剂与传统的MgCO₃制备的泡沫铝样品剖面对比图；

图4a为实施例5中MgCO₃作为发泡剂制备的泡沫铝；图4b为采用实施例1中的新型发泡剂制备的泡沫铝。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的技术方案。以下实例未完全涵盖本专利权利要求范围。

本发明一种发泡剂，所述发泡剂包括：MgCO₃粉末和载体金属粉末，二者的比例为(0.1～10)：1。

所述MgCO₃粉末的粒径为1～300μm，所述载体金属粉末的粒径为1～300μm。

所述载体金属粉末包括Cu、Al、Mg、Fe及其合金中的一种。

一种制备上述的发泡剂的方法，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分比例分别称取MgCO₃粉末和载体金属粉末，搅拌均匀，得到混合物料；

S2)将S1)得到混合物料置于球磨机中，在球磨转速为20～200r/min，球磨时间为1～72h，即得到发泡剂。

一种采用上述发泡剂制备泡沫铝或铝合金的方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备铝或铝合金的金属熔体；

步骤2：加入增粘剂对步骤1制备的金属熔体进行增粘处理；

步骤3：向经步骤2处理后的金属熔体中加入发泡剂，搅拌进行发泡，保温，冷却后即得到泡沫铝或铝合金。

所述泡沫铝或铝合金具有光洁的致密表层，厚度为0.5～2mm，内部孔隙率为40～88％。

所述铝合金为铝铜合金、铝硅合金、铝镁合金、铝锌合金、铝钪合金中的一种。

所述步骤1的具体工艺为：将铝或铝合金在模具中加热至熔融，并在550～680℃保温25～35min，得到金属熔体；

所述步骤2中的增粘剂为Ca粒或发泡剂，加入量为占金属熔体0.5～10wt％；加入后以400～1000rpm的转速搅拌5～10min。

所述步骤3的具体工艺为：加入占金属熔体0.5～10wt％的发泡剂，以800～1500rpm的转速搅拌0.5～3min，保温20～90s，冷却。

实施例1

新型发泡剂的制备：采用粒径20μm的Cu粉与粒径10μm的MgCO₃粉末以2:1的比例混合，以100rpm的转速球磨48h。在球磨过程中由于MgCO₃颗粒呈脆性而破碎成更细小的颗粒，Cu颗粒由于有良好的塑性而发生变形，并且部分Cu颗粒相互粘结，形成椭球状大颗粒。最终在机械球磨的作用下Cu颗粒与MgCO₃颗粒形成良好的机械结合。图1为实施例1中通过扫描电子显微镜拍摄的微观形貌图以及能量分析X射线谱，结合新型发泡剂的微观形貌和元素分析发现，在机械球磨作用下细小的MgCO₃颗粒镶嵌在Cu颗粒表面，形成以Cu颗粒为载体，表面镶嵌MgCO₃颗粒的复合体。图2为实施例1中发泡剂的DSC-TG曲线图，可以看出该发泡剂的起始分解温度为549℃，接近铝合金和镁合金的发泡温度。

实施例2

发泡剂的制备：采用粒径45μm的Al粉与粒径20μm的MgCO₃粉末以1:1的比例混合，以50rpm的转速球磨72h。由于Al颗粒具有良好的塑性，在球磨过程中与破碎的MgCO₃细小颗粒形成以Al颗粒为载体，表面镶嵌或内部包裹MgCO₃颗粒的复合体。

实施例3

发泡剂的制备：采用粒径30μm的Fe粉与粒径30μm的MgCO₃粉末以5:1的比例混合，以50rpm的转速球磨12h。由于Fe颗粒具有良好的塑性，在球磨过程中与破碎的MgCO₃细小颗粒形成以Fe颗粒为载体，表面镶嵌或内部包裹MgCO₃颗粒的复合体。

实施例4

发泡剂的制备：采用粒径70μm的5083铝合金粉末与粒径40μm的MgCO₃粉末以1:3的比例混合，以75rpm的转速球磨72h。由于5083铝合金颗粒具有良好的塑性，在球磨过程中与破碎的MgCO₃细小颗粒形成以5083铝合金颗粒为载体，表面镶嵌或内部包裹MgCO₃颗粒的复合体。

实施例5

用该发泡剂制备泡沫铝合金的方法：

(1)将1kg铝镁合金在模具中加热至熔融，并在660℃保温30min；

(2)加入20g的Ca粒，以400rpm的转速搅拌8min，对熔体进行增粘；

(3)加入70g实施例1中的新型发泡剂，以1000rpm的转速搅拌45s；

(4)取出搅拌桨，并保温30s后，将模具取出迅速冷却，获得孔隙率为78％的泡沫铝镁合金。

图3为MgCO₃和实施例1的新型发泡剂的发泡过程，图3a中MgCO₃粉末作为发泡剂时，由于不被铝合金熔体润湿导致在搅拌过程中大量溢出，而图3b的新型发泡剂则被铝合金熔体润湿，被良好地混入熔体中。

图4为实施例5中用该新型发泡剂与传统的MgCO₃在相同参数下制备的泡沫铝样品剖面对比图，采用MgCO₃作为发泡剂的泡沫铝如图4a所示，存在较大的孔洞、沟壑及孔结构不均匀等缺陷，且存在很大面积的致密化区。而如图4b所示，采用新型发泡剂制备的样品孔结构均匀。

实施例6

用该发泡剂制备泡沫铝的方法：

(1)将3kg纯铝在模具中加热至熔融，并在670℃保温30min；

(2)加入70g实施例3中的新型发泡剂，以500rpm的转速搅拌7min，对熔体进行增粘；

(3)加入200g实施例3中的新型发泡剂，以1000rpm的转速搅拌2min；

(4)取出搅拌桨，并保温45s后，将模具取出迅速冷却，获得孔隙率为64％的泡沫铝。

实施例7

用该发泡剂制备泡沫铝铜合金的方法：

(1)将3kg铝铜在模具中加热至熔融，并在670℃保温30min；

(2)加入60g实施例3中的新型发泡剂，以500rpm的转速搅拌7min，对熔体进行增粘；

(3)加入280g实施例3中的新型发泡剂，以1000rpm的转速搅拌1min；

(4)取出搅拌桨，并保温40s后，将模具取出迅速冷却，获得孔隙率为75％的泡沫铝铜合金。

实施例8

用该发泡剂制备泡沫铝钪合金的方法：

(1)将800g铝钪合金在模具中加热至熔融，并在660℃保温30min；

(2)加入20g的Ca粒，以500rpm的转速搅拌8min，对熔体进行增粘；

(3)加入60g实施例1中的新型发泡剂，以1000rpm的转速搅拌1.5min；

(4)取出搅拌桨，并保温30s后，将模具取出迅速冷却，获得孔隙率为72％的泡沫铝钪合金。

以上对本发明的最优的实施例进行了详细介绍，但是本发明的技术方案不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。不脱离本本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (10)

1.一种发泡剂，其特征在于，所述发泡剂包括：MgCO₃粉末和载体金属粉末，二者的比例为(0.1～10)：1。

2.根据权利要求1所述的发泡剂，其特征在于，所述MgCO₃粉末的粒径为1～300μm，所述载体金属粉末的粒径为1～300μm。

3.根据权利要求1所述的发泡剂，其特征在于，所述载体金属粉末为Cu、Al、Mg、Fe或其合金中的一种。

4.一种制备如权利要求1-3任意一项所述的发泡剂的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

S1)按照设计成分比例分别称取MgCO₃粉末和载体金属粉末，搅拌均匀，得到混合物料；

S2)将S1)得到混合物料置于球磨机中，球磨转速为20～200r/min，球磨时间为1～72h，即得到发泡剂。

5.一种采用如权利要求4得到的所述发泡剂制备泡沫铝或铝合金的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备铝或铝合金的金属熔体；

步骤2：将增粘剂加入到步骤1制备的金属熔体进行增粘处理；

步骤3：向经步骤2处理后的金属熔体中加入发泡剂，搅拌进行发泡，保温，冷却后即得到泡沫铝或铝合金。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述泡沫铝或铝合金具有光洁的致密表层，厚度为0.5～2mm，内部孔隙率为40～88％。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述铝合金为铝铜合金、铝硅合金、铝镁合金、铝锌合金、铝钪合金中的一种。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤1的具体工艺为：将铝或铝合金在模具中加热至熔融，并在550～680℃保温25～35min，得到金属熔体。

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤2中的增粘剂为Ca粒或发泡剂，加入量为占金属熔体的0.5～10wt％；加入后以400～1000rpm的转速搅拌5～10min。

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3的具体工艺为：加入占金属熔体的0.5～10wt％的发泡剂，以800～1500rpm的转速搅拌0.5～3min，保温20～90s，冷却。

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