專利名稱：泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法
技術領域：
本發明屬于一種閉孔多孔泡沫鋁及鋁合金的制造方法，尤其涉及泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法。
背景技術：
現有技術熔體發泡法因設備簡單，生產成本相對低廉，是目前生產閉孔泡沫鋁材首選工藝。傳統的泡沫鋁熔體發泡法制備工藝均采用增黏劑如鈣、碳化硅、氧化鋁粉末、鋁粉等對熔融鋁液進行增黏處理，然后加入專用發泡劑氫化鈦等，發泡劑受熱分解釋放氣體并在熔體中產生氣泡，利用攪拌等方法使氣泡均勻彌散分布于金屬基體中，冷卻后孔洞滯留于金屬內部形成泡沫金屬的制備方法。金屬熔體在增黏，發泡兩個相對獨立的過程中完成，但專門制備或購買的增黏劑、發泡劑成本較高，未經處理的氫化鈦在340℃即開始分解，400℃以上分解明顯，在鋁熔體(660℃)中氣泡形成迅速，并迅速長大、上浮或破碎、合并，氣孔相互擠壓變形，使孔結構的均勻性和一致性較難控制。因此氫化鈦發泡劑在使用前需進行物理研磨，加熱氧化，凝膠包裹，金屬包裹等人工鈍化處理，其處理技術要求高，工藝參數較難掌握，進一步增加了生產成本。因此有必要尋找泡沫鋁的新型增黏發泡制備方法，以生產出成品率高，孔隙均勻，孔隙率可控，生產成本較低的泡沫鋁材料。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種閉孔小孔徑球形孔泡沫鋁及鋁合金的制備方法，以生產出成品率高，孔隙均勻，孔隙率可控，生產成本較低的泡沫鋁材料。
本發明的技術解決方案為一種泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法，制備工藝步驟為配制質量濃度為5～15％的硫酸鹽或氟化鹽的水溶性鹽溶液，攪拌使其充分溶解；向上述鹽溶液中加入占水質量分數30～80％的碳酸鹽粉末，充分攪拌后放入烘箱烘干，將烘干后所得混合物碾碎呈粉末狀，備用；取一定量碳酸鹽粉末，向其中加入占碳酸鹽質量分數2～15％的氫化鈦粉末，混合均勻，備用；將純鋁或鋁合金鋁錠加熱至665～700℃，保溫至鋁錠完全熔化，鋁液溫度均勻穩定；加入占鋁液質量分數1.0％～2.0％的碳酸鹽粉末，以300～500r/min轉速攪拌5～10min；加入占鋁液質量分數1.0％～3.0％經處理過的碳酸鹽粉末或者占鋁液質量分數1.0％～3.0％處理過的復合發泡劑粉末，轉速800～1200r/min，攪拌時間1.5～5.0min；停止攪拌后爐內保溫15～150s，使泡沫鋁緩慢生長；為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時迅速出爐采用多向水冷系統降溫固化。硫酸鹽為硫酸鈉，氟化鹽為氟化鈉。碳酸鹽為碳酸鈣或碳酸氫鈣。
本發明產生的有益效果為圖1是新型增黏發泡劑和傳統發泡劑氫化鈦的升溫熱分解釋氣特性曲線，新型發泡劑出氣量遠低于氫化鈦。但相對于傳統發泡劑，新型發泡劑在用量沒有大幅增加的情況下也能得到孔隙率相近且均勻無缺陷的泡沫鋁制品，且主要為小孔徑球形孔泡沫鋁。主要原因有以下幾方面1.加入的新型增黏劑和發泡劑反應分解溫區較高，在泡沫鋁制備溫區中不會完全分解，熔體中存在及生成多種固相顆粒如Al2O3，Al4C3等成為泡沫非均勻形核核心，懸浮在熔體中提高了熔體的黏度，增強了泡沫的穩定性，使大量微小泡沫得以形成，并在高速攪拌的鋁熔體黏液中留存下來。而傳統發泡劑在鋁液中以極快的速度劇烈分解(鈍化處理亦無法完全解決此問題)，分解產生的氫氣與鋁熔體比重差巨大，在攪拌過程中大量氣體破碎逸出或與氧元素結合而損耗掉；2.新型發泡劑熱穩定性高，分解平緩，故可延長攪拌時間使發泡劑在鋁基體中充分混勻；對碳酸鈣發泡劑的處理方法簡單有效。3.新型發泡劑分解產生的氣體性質穩定但會部分溶解于鋁基體中，使氣泡內壓降低，維持最低表面能形態，形成小孔徑泡沫，不易發生畸變，從而形成球形孔。
采用CaCO3等新型發泡技術與現有TiH2發泡技術對比有如下優勢1.TiH2價格高昂，制備困難，碳酸鹽如CaCO3價格低廉，制備、存儲方便。
2.TiH2熱穩定性差，400℃以上即發生明顯分解，需要進行物理研磨，加熱氧化，凝膠包裹，金屬包裹等復雜的人工鈍化處理，其處理參數、工藝較難掌握，即使采用同樣的處理工藝，不同批次處理的TiH2發泡性能、均勻性均有差別。碳酸鹽中CaCO3發泡劑則無需進行任何前期處理，或只需進行簡單處理。
3.TiH2受熱分解劇烈，氣泡形成迅速，并迅速長大、合并、破碎，氣孔相互擠壓變形或聯通，使泡沫鋁孔結構呈多邊形。CaCO3受熱分解平緩，氣泡均勻獨立，不易聯通或變形，孔結構多為球形(球形孔的力學及耐蝕性較不規則多邊形孔好)。
4.TiH2分解產生的氫氣易燃，CaCO3分解產生CO2則較為安全。
5.CaCO3熱穩定性好，850℃-1000℃以上才可能完全分解，這為采用CaCO3制備其它高熔點泡沫金屬，如泡沫鋼、泡沫銅等提供了可能。
6.與通用技術相比本發明更適合制備低孔隙率小孔徑球形孔泡沫鋁或鋁合金，前者也可形成上述結構，但控制技術難度大，成本高。
四

圖1是幾種不同發泡劑的升溫熱分解釋氣特性曲線；主發泡劑為碳酸鈣，發泡劑2為碳酸鎂；圖2相同用量的CaCO3和Ca在相同攪拌速度、時間條件下的增黏扭矩圖；圖3是采用碳酸鈣發泡劑制備的泡沫鋁孔結構光學照片，為增強對比，圖中孔洞經特殊處理；圖4是采用新型增黏發泡方法生產的泡沫鋁樣品截面照片。
五具體實施例方式
實施例1將鋁錠加熱至670℃，保溫至鋁錠完全熔化，加入質量百分比為1.5％的碳酸鈣增黏劑，以400r/min轉速進行攪拌，增黏至預設黏度。為使增黏劑充分混勻，根據扭矩儀讀數確定攪拌時間，一般為5～10min，然后加入經硫酸鈉處理過的碳酸鈣發泡劑粉末，(100mL水中加入10g硫酸鈉配制成水溶液，再加入50g輕質碳酸鈣粉末充分攪拌，50℃烘箱中烘至充分干燥，取出碾碎，過200目篩)質量分數為1.5％，進行高速攪拌，轉速控制在800～1100r/min，攪拌1.5～3.5min后升起攪拌槳，爐內保溫15～90s，為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時應迅速出爐采用水冷卻系統進行降溫固化。
實施例2將鋁錠加熱至665～700℃，保溫至鋁錠完全熔化，加入質量百分比為1.0％～2.0％的碳酸鈣增黏劑，以400r/min轉速進行攪拌，增黏至預設黏度。為使增黏劑充分混勻，根據扭矩儀讀數確定攪拌時間，一般為5～10min，然后加入混合了少量氫化鈦的碳酸鈣發泡劑粉末(100g碳酸鈣粉末中混入15g氫化鈦粉末充分攪拌混勻)質量分數為1.0％～2.5％，進行高速攪拌，轉速控制在800～1100r/min，攪拌1.5～3.5min后升起攪拌槳，爐內保溫15～90s，為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時應迅速出爐采用水冷卻系統進行降溫固化。
實施例3第一步在一定體積水中加入占水質量分數5～15％的硫酸鈉或氟化鈉等硫酸鹽、氟化鹽水溶性鹽溶液，攪拌使充分溶解；第二步向上述鹽溶液中加入占水溶液質量分數30～80％份碳酸鈣粉末，充分攪拌后放入烘箱烘干，并碾碎過篩呈粉末狀，備用；第三步取一定量碳酸鈣粉末，向其中加入占碳酸鈣質量分數2～55％的氫化鈦粉末，混合均勻，備用；第四步將純鋁或鋁合金鋁錠放入耐熱坩堝加熱至665～700℃，保溫至鋁錠完全熔化，鋁液溫度均勻穩定；第五步降入可控制攪拌深度及轉速的電動攪拌槳，槳葉浸入鋁液中；第六步加入占鋁液質量分數1.0％～2.0％的未處理碳酸鈣粉末，啟動攪拌槳，以300～500r/min轉速攪拌，并根據與攪拌槳相連的扭矩儀讀數確定攪拌時間，一般為5～10min；第七步，加入占鋁液質量分數1.0％～3.0％經第一、二步處理過的碳酸鈣粉末或者占鋁液質量分數1.0％～3.0％經第三步處理過的復合發泡劑粉末，高速攪拌，轉速800～1200r/min，攪拌時間1.5～5.0min；第八步關閉并提升攪拌槳，爐內保溫15～150s，泡沫鋁緩慢生長；第九步為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸(在鋁用量一定的情況下，樣品尺寸與泡沫鋁孔隙率有直接對應關系)時迅速出爐采用多向水冷系統降溫固化。
實施例4將鋁錠加熱至670℃，保溫至鋁錠完全熔化，加入質量百分比為1.5％的碳酸鈣，以400r/min轉速進行攪拌增黏7min，然后加入鋁質量分數1.5％的氫化鈦發泡劑，進行高速攪拌，轉速控制在900r/min，攪拌1.5～2.5min后升起攪拌槳，爐內保溫15～90s，為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時應迅速出爐采用水冷卻系統進行降溫固化。
實施例5步驟同實施例3，碳酸鈣換用碳酸氫鈣。
權利要求
1.一種泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法，其特征在于制備工藝步驟為a.配制質量濃度為5～15％的硫酸鹽或氟化鹽的水溶性鹽溶液，攪拌使其充分溶解；b.向上述鹽溶液中加入占溶劑質量分數30～80％的碳酸鹽粉末，充分攪拌后放入烘箱烘干，將烘干后所得混合物碾碎呈粉末狀，備用；c.取碳酸鹽粉末，向其中加入占碳酸鹽質量分數2～55％的氫化鈦粉末，混合均勻，得復合發泡劑粉末，備用；d.將純鋁或鋁合金鋁錠加熱至665～700℃，保溫至鋁錠完全熔化，鋁液溫度均勻穩定；e.加入占鋁液質量分數1.0％～2.0％的碳酸鹽粉末，以300～500r/min轉速攪拌5～10min；f.加入占鋁液質量分數1.0％～3.0％的經a、b步驟處理過的碳酸鹽粉末或者占鋁液質量分數1.0％～3.0％的經c步驟處理過的復合發泡劑粉末攪拌，轉速800～1200r/min，攪拌時間1.5～5.0min；g.停止攪拌后爐內保溫15～150s，使泡沫鋁緩慢生長；h.為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時迅速出爐采用多向水冷系統降溫固化。
2.如權利要求1所述的泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法，其特征在于所述硫酸鹽為硫酸鈉，氟化鹽為氟化鈉。
3.如權利要求1所述的泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法，其特征在于所述碳酸鹽為碳酸鈣或碳酸氫鈣。
全文摘要
一種泡沫鋁及鋁合金的增黏發泡制備方法，制備工藝步驟為配制硫酸鹽或氟化鹽的水溶性鹽溶液，攪拌使其充分溶解；加入碳酸鹽粉末，充分攪拌后放入烘箱烘干，將烘干后所得混合物碾碎呈粉末狀，備用；取碳酸鹽粉末，向其中加入氫化鈦粉末，混合均勻，備用；將純鋁或鋁合金鋁錠加熱，保溫至鋁錠完全熔化；加入碳酸鹽粉末，攪拌；加入碳酸鹽粉末或者復合發泡劑粉末攪拌；停止攪拌后爐內保溫；為防止孔結構塌陷，生長至接近目標尺寸時迅速出爐采用多向水冷系統降溫固化。新型發泡劑分解產生的氣體性質穩定但會部分溶解于鋁基體中，使氣泡內壓降低，維持最低表面能形態，形成小孔徑泡沫，不易發生畸變，從而形成球形孔。
文檔編號C22C1/08GK101082092SQ20071002489
公開日2007年12月5日 申請日期2007年7月9日 優先權日2007年7月9日
發明者何思淵, 魏永生, 何德坪, 丁龍, 顧菲菲, 甘望益 申請人:東南大學