CN114558991B - 熔模铸造制备闭孔泡沫铝异形件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明开拓性地提供了一种采用熔模铸造工艺制备闭孔泡沫铝合金异形件的方法，能够实现闭孔泡沫铝异形件的工业化大批量制备。本发明主要涉及到模壳的设计与制备、发泡剂TiH2的预处理、预制熔体的制备和熔体的浇注与发泡。具体步骤如下：第一步针对增粘熔体流动性差的特点设计并制备所需形状的单体模壳；第二步将TiH2颗粒在空气氛围下热处理获得表面改性；第三步将铝硅镁近共晶成分合金熔体在空气氛围中搅拌增粘，在一定熔体温度范围内加入TiH2颗粒搅拌分散，获得具有发泡能力的预制熔体；第四步将模壳在一定温度范围内加热保温，将预制熔体按照一定量浇注到加热模壳内，继续保温发泡充型后获得泡沫铝合金的异形件产品。

Description

熔模铸造制备闭孔泡沫铝异形件的方法
技术领域
本发明涉及泡沫金属材料领域，特别是涉及基于一种预制熔体的熔模铸造工艺制备闭孔泡沫铝合金异形件的方法。
背景技术
熔模铸造是在蜡模表面涂上多层耐火材料制壳，待硬化干燥后将芯部的蜡模熔失留下模壳，再经过焙烧，然后进行浇注，最终获得铸件的一种方法。熔模铸造具有铸件尺寸精确、表面质量高、可铸造形状复杂异形件、合金种类不受限制等优点，是一种实用性很高的铸造方法，在兵器工业、航空航天、汽车、船舶、机械等几乎所有工业门类中都有广泛应用，另外在艺术品铸造中也有大量应用。
闭孔泡沫铝具有封闭的气孔结构和铝合金基体性质，用作结构材料具有轻质特性，同时兼有吸能减震、吸音降噪、电磁屏蔽、隔热保温等功能特性，在交通运输、航空航天、建筑装饰、防爆防弹等领域有广阔的应用前景。
熔体发泡法是在铝或铝合金熔体中加入增粘剂并搅拌增粘，然后将发泡剂加入熔体内搅拌分散并保温发泡制备泡沫铝的一种方法，具有成本低、易于规模化生产、废料可回收利用等优点，是目前国内外主流的泡沫铝生产方式。由于发泡后孔隙率可高达60-90％，导致熔体表观粘度很高而难以流动，传统铸造方法难以实现泡沫铝的成形制备。泡沫铝的高孔隙率也改变了铝合金原有的力学特性，泡沫铝受压时表现为气孔结构的坍塌破坏，因此泡沫铝无法通过塑性成形实现成形制备。目前熔体发泡法只适合制备出大块泡沫铝，然后切割成泡沫铝板材使用，大大限制了泡沫铝的应用。
因此有必要在熔体发泡法的基础上开发具有实用价值的泡沫铝异形件制备方法。
发明内容
本发明提出一种采用熔模铸造工艺制备泡沫铝异形件的方法，是首次将熔模铸造工艺应用到泡沫铝成形制备方法中，其意义在于赋予了泡沫铝铸造成形方法的实用价值，能够真正将泡沫铝铸造成形方法应用于工业化批量生产。本发明的思路是针对增粘后的预制熔体流动性差的特点设计熔模铸造的模壳，并采用正常制壳工艺进行模壳制备，将模壳加热到较高温度后保温，将含发泡剂的预制熔体浇注到模壳内实现升温发泡，最终获得具有密实表面层的泡沫铝异形件。
本发明的技术方案包括以下步骤：
(1)针对增粘预制熔体流动性差的特点设计和制备所需形状的单体模壳：模壳不应组树，模壳的浇注系统最窄处平均尺寸不应小于20mm，浇道应尽量保持平直以便于增粘熔体的流动。主要步骤包括：压型设计与制造、压注熔模、反复上涂料和撒砂制壳、模壳干燥、脱除熔模、模壳焙烧；
(2)TiH2预处理：将325～625目的TiH2颗粒在400～450℃热处理0.5～1.5h，然后升温至480～500℃热处理1.5～2.5h；
(3)制备可发泡预制熔体：将铝硅镁近共晶合金加热熔化，并在500～1500rpm转速下搅拌31～90min获得增粘熔体，将熔体温度控制在580～620℃范围内加入0.1～1.0wt.％热处理后的TiH2颗粒，并在1000～2600rpm转速下搅拌分散5～15min，获得可发泡的预制熔体。
(4)熔体浇注与发泡：将模壳在加热炉内加热至650～750℃并保温10～30min，将预制熔体浇注到模具内，预制熔体的浇注量为铸件体积(不含浇注系统)的40～90％，继续保温6～10min后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品。
与现有的泡沫铝制备方法中采用的金属模具或金属坩埚不同，熔模铸造中采用的模壳导热性更差，泡沫铝凝固时间更长，并且模壳具有透水透气特性，无法采用水等液态介质冷却，因此采用熔模铸造工艺比使用金属模具制备合格的泡沫铝异形件更加困难。但由于异形件金属模具不仅成本高，在700℃左右的高温加热下会产生氧化烧损，导致精度下降，而且反复加热冷却会产生热疲劳失效，不适合用于实际批量生产；而熔模铸造采用的模壳成本低，更容易实现复杂形状铸件，能够经受超过1000℃的高温加热，非常适合工业化批量生产泡沫铝异形件。
由于模壳导热性差，冷却速率较低，一方面泡沫铝芯部的泡沫结构凝固时间更长，更容易出现芯部缺陷，因此对泡沫铝的稳定性提出了更高的要求；另一方面泡沫铝表皮难以快速冷却结壳，容易产生表面缺陷。当泡沫铝异形件体积较大时，提出适当增加熔体Mg含量并延长熔体搅拌增粘时间或额外添加增粘剂。其次，模壳导热性差也会影响熔体的升温发泡，当泡沫铝异形件体积较大时，提出相应延长保温发泡时间。另外，提出尽量采用强力风冷加快冷却速度，防止出现表面缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本说明书披露的多个实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书披露的工艺流程及其相关的多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1示出本发明披露的熔模铸造制备闭孔泡沫铝异形件的方法步骤流程图；
图2为本发明实施例中所设计并制备的异形件模壳的实物图；
图3为实施例1中的技术方案所获得的泡沫铝异形件产品及截面形貌；
图4为实施例2中的技术方案所获得的泡沫铝异形件产品及截面形貌；
图5为实施例3中的技术方案所获得的泡沫铝异形件产品及截面形貌。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施方式及附图，对本发明的技术方案进行清晰、具体的描述。但本发明中所描述的具体实施方式仅是本发明的一部分实施方式，本发明的内容不限于此。
为便于理解，图1示出本发明披露的熔模铸造制备闭孔泡沫铝异形件的方法步骤流程图。可知本发明提出的熔模铸造制备闭孔泡沫铝异形件的方法包括以下步骤：
(1)设计和制备所需形状的单体模壳，模壳的浇注系统最窄处平均尺寸不应小于20mm，浇道应尽量保持平直以便于增粘熔体的流动；(2)TiH2预处理：将325～625目的TiH2颗粒在400～450℃热处理0.5～1.5h，然后升温至480～500℃热处理1.5～2.5h；(3)制备可发泡预制熔体：将铝硅镁近共晶合金加热熔化，并在500～1500rpm转速下搅拌31～90min获得增粘熔体，将熔体温度控制在580～620℃范围内加入0.1～1.0wt.％热处理后的TiH2颗粒，并在1000～2600rpm转速下搅拌分散5～15min，获得可发泡的预制熔体。(4)熔体浇注与发泡：将模壳在加热炉内加热至650～750℃并保温10～30min，将预制熔体浇注到模具内，预制熔体的浇注量为铸件体积(不含浇注系统)的40～90％，继续保温6～10min后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品。
接下来结合具体的实施例1至3，描述上述方法的实施方式。
实施例1：
(1)设计并制备所需形状的单体模壳：铸件形状为阶梯板，模壳的浇道最窄处平均尺寸为40mm，浇道为竖直浇道；
(2)TiH2预处理：将500～625目的TiH2颗粒在400℃热处理0.5h，然后升温至450℃热处理0.5h，最后升温至480℃热处理2h，冷却后备用；
(3)制备可发泡预制熔体：将AlSi13.6Mg5.3合金加热熔化，并在1500rpm转速下搅拌31min获得增粘熔体，将熔体温度控制在580℃±2℃，加入0.1wt.％热处理后的TiH2颗粒，并在1000rpm转速下搅拌分散15min，获得可发泡的预制熔体。
(4)熔体浇注与发泡：将模壳在加热炉内加热至680℃并保温30min，将预制熔体浇注到模具内，预制熔体的浇注量为铸件体积(不含浇注系统)的90％，继续保温9min后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品。
实施例2：
(1)设计并制备所需形状的单体模壳：铸件形状为阶梯板，模壳的浇道最窄处平均尺寸为40mm，浇道为竖直浇道；
(2)TiH2预处理：将500～625目的TiH2颗粒在400℃热处理0.5h，然后升温至450℃热处理1h，最后升温至500℃热处理1h，冷却后备用；
(3)制备可发泡预制熔体：将AlSi13.6Mg5.3合金加热熔化，并在1000rpm转速下搅拌60min获得增粘熔体，将熔体温度控制在595℃±2℃，加入0.15wt.％热处理后的TiH2颗粒，并在1500rpm转速下搅拌分散10min，获得可发泡的预制熔体。
(4)熔体浇注与发泡：将模壳在加热炉内加热至700℃并保温30min，将预制熔体浇注到模具内，预制熔体的浇注量为铸件体积(不含浇注系统)的75％，继续保温7min后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品。
实施例3：
(1)设计并制备所需形状的单体模壳：铸件形状为阶梯板，模壳的浇道最窄处平均尺寸为40mm，浇道为竖直浇道；
(2)TiH2预处理：将500～625目的TiH2颗粒在400℃热处理0.5h，然后升温至450℃热处理0.5h，最后升温至500℃热处理1.5h，冷却后备用；
(3)制备可发泡预制熔体：将AlSi13.6Mg5.3合金加热熔化，并在500rpm转速下搅拌90min获得增粘熔体，将熔体温度控制在610℃±2℃，加入0.3wt.％热处理后的TiH2颗粒，并在2600rpm转速下搅拌分散5min，获得可发泡的预制熔体。
(4)熔体浇注与发泡：将模壳在加热炉内加热至750℃并保温20min，将预制熔体浇注到模具内，预制熔体的浇注量为铸件体积(不含浇注系统)的50％，继续保温6min后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的技术方案的基础之上，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种熔模铸造制备泡沫铝异形件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
采用熔模铸造工艺并针对增粘熔体流动性差的特点设计和制备所需形状的单体模壳，具体包括：压型设计与制造、压注熔模、上涂料和撒砂制壳、模壳干燥、脱除熔模、模壳焙烧；
将325～625目的TiH2颗粒在400～450℃热处理0.5～1.5h，然后升温至480～500℃热处理1.5～2.5h；
将铝硅镁近共晶合金加热熔化，并在500～1500rpm转速下搅拌31～90min获得增粘熔体，将热处理后的TiH2颗粒加入到熔体中搅拌分散，获得可发泡的预制熔体；
将模壳在加热炉内加热至650～750℃并保温10～30min，将预制熔体浇注到模具内，继续保温一定时间后，从炉内取出风冷至室温，敲除模壳获得泡沫铝异形件产品；
其中，所述模壳应为单体模壳，不应组树；所述模壳的浇注系统最窄处平均尺寸不应小于20mm；预制熔体向模壳内的浇注量为铸件体积的40～90％；预制熔体浇注到模壳后的保温时间为6～10min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，TiH2颗粒分散过程中的熔体温度在580～620℃。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，TiH2颗粒分散过程中的搅拌速度为1000～2600rpm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，TiH2颗粒在熔体中的添加量为0.1～1.0wt.％。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，TiH2颗粒在熔体内的分散时间为5～15min。
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