简介概要

泡沫Al-6Si合金的制备工艺研究

来源期刊：稀有金属2004年第1期

论文作者：赵国宾周芸许星任燕燕左孝青

关键词：泡沫铝合金; 熔体发泡法; TiH2发泡介质;

摘要：采用熔体发泡法制备泡沫铝硅合金. 研究发泡剂添加量、粘度、加热温度、搅拌速度等对孔隙率及孔结构的影响, 并通过对发泡介质TiH2的预处理, 研究TiH2形成表层氧化物对延缓其在熔体中的分解及发泡过程的作用. 考察制备泡沫铝材料实验的再现性, 从而确定最佳工艺参数. 研究表明, 以TiH2为发泡介质, 采用熔体发泡制备孔隙结构均匀, 孔隙率为60%～80%的泡沫铝硅合金的最佳工艺条件是: 加热温度为610～630 ℃, TiH2含量为1.2%～1.4%, 金属钙加入量为1.5%, 增粘搅拌时间为4～5 min, 搅拌速度约为800 r·min-1; 发泡介质分散搅拌时间为30～40 s, 搅拌速度约为2000 r·min-1.

稀有金属 2004,(01),191-194 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.047

泡沫Al-6Si合金的制备工艺研究

左孝青许星任燕燕赵国宾

昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明理工大学材料与冶金工程学院,昆明理工大学材料与冶金工程学院云南昆明650093 ,云南昆明650093 ,云南昆明650093 ,云南昆明650093 ,云南昆明650093

摘要：

采用熔体发泡法制备泡沫铝硅合金。研究发泡剂添加量、粘度、加热温度、搅拌速度等对孔隙率及孔结构的影响 , 并通过对发泡介质TiH2 的预处理 , 研究TiH2 形成表层氧化物对延缓其在熔体中的分解及发泡过程的作用。考察制备泡沫铝材料实验的再现性 , 从而确定最佳工艺参数。研究表明 , 以TiH2 为发泡介质 , 采用熔体发泡制备孔隙结构均匀 , 孔隙率为 60 %～ 80 %的泡沫铝硅合金的最佳工艺条件是 :加热温度为 610～ 63 0℃ , TiH2 含量为 1.2 %～ 1.4%, 金属钙加入量为 1.5 %, 增粘搅拌时间为 4～ 5min , 搅拌速度约为 80 0r·min- 1 ;发泡介质分散搅拌时间为 3 0～ 40s, 搅拌速度约为 2 0 0 0r·min- 1 。

关键词：

泡沫铝合金;熔体发泡法;TiH2发泡介质;

中图分类号： TG146.21

收稿日期：2003-07-25

基金：云南省应用基础研究基金重点项目 ( 2 0 0 0E0 0 3Z);

Manufacture of Al-6Si Foam by Melt Route Processes

Abstract：

Al Si foam was fabricated by direct melt foaming. The effects of foaming temperature, foam agent content, calcium content on the porosity and uniformity of Al Si foam were investigated. The TiH 2 foaming agent was pretreated using a two step thermal oxidation treatment in air to generate a titanium dioxide layer on the particulate surface. It is found that the decomposition of TiH 2 is delayed. The optimal processing parameters were obtained by a lot of experimental works for manufacturing uniform Al Si foam with 60%～80% porosity. It is shown that the optimal processing parameters are heating temperature 610～630 ℃, TiH 2 content 1.2%～1.5% (mass fraction) , Ca content 1.5%, stirring time 4～5 min, stirring speed 800 r·min -1 for increasing the viscosity of melt, stirring time 30～40 s, stirring speed 2000 r·min -1 for foaming agent distribution.

Keyword：

aluminum foam; melt foaming; foaming agent;

Received： 2003-07-25

泡沫铝合金具有优良比强度、吸能、吸音、隔热、电磁屏蔽等性能, 因而, 作为结构和吸能材料在建筑和汽车工业领域有着广泛的潜在用途。如可用于体育馆、影剧院等建筑物的内外墙及天花板、汽车的后厢盖和防冲挡杆, 以及高速公路的隔音防撞墙等 ^[1,2,3,4,5] 。目前泡沫金属的制备方法中, 熔体发泡法和粉末冶金法是最常用的方法。一般地, 除特殊要求外, 作为工业大规模生产最有前途的是熔体发泡法, 它的工艺简单, 成本低廉。但是熔体发泡法也存在着以下的技术难点: (1) 由于发泡剂加入到熔体中气泡形成的时间短暂, 难于稳定控制气泡的形成、长大及分布; (2) 泡沫金属的孔隙大小及孔径分布不均匀。

本文研究用熔体发泡法制备泡沫Al-6Si合金。通过对发泡介质TiH₂的预处理, 研究TiH₂形成表层氧化物对延缓其在熔体中的分解及发泡过程的作用。并对粘度、发泡剂添加量、加热温度、搅拌速度等对孔隙率及孔结构的影响做进一步研究, 考察制备泡沫铝材料实验的再现性, 从而确定最佳工艺参数。使制得的泡沫铝基本上孔洞及孔径分布均匀、孔结构基本规则、具有一定的可重复操作性。

1 实验

1.1 实验材料和设备

实验原料主要为工业纯Al, Si, 颗粒Ca (分析纯) 、 TiH₂ (纯度>999; 粒度>200目) 。实验设备主要包括增力电动搅拌器、坩埚电阻炉、箱式电阻炉、超声波清洗机、天平等。

1.2 实验过程

首先以Al, Si为原料制成Al-6Si合金。采用二步氧化法进行TiH₂氧化处理, 使TiH₂颗粒表面形成均匀的氧化钛膜。本实验的主要工艺过程为: (1) 将装有Al-6Si合金的坩埚加热到在620~680 ℃保温熔化铝硅合金, 加入增粘介质Ca搅拌熔体并控制熔体的粘度; (2) 当铝硅熔体达到一定的表观粘度值时加入TiH₂发泡剂并迅速搅拌均匀; (3) 保温, 控制铝硅熔体中气泡形成和生长过程; (4) 冷却, 在发泡介质充分分解后快速冷却以阻止气泡的进一步长大。

泡沫材料的孔隙率是表征材料中孔隙的总体积占材料总体积的百分率, 用体积测量法计算。孔结构采用数字相机记录。孔结构均匀性通过对试样各截面的观察作定性判定。

2 结果与分析

2.1 发泡温度对泡沫孔隙结构的影响

在TiH₂含量为1.2%, Ca含量为1.5%, 增粘搅拌时间为4.5 min, 搅拌速度约为800 r·min^-1, 发泡介质分散搅拌时间为30 s, 搅拌速度约为2000 r·min^-1的条件下, 进行不同加热温度的发泡实验研究, 得出如下结果。

从表1可以看出, 发泡温度在610~630 ℃范围, 试样的平均孔隙率和孔结构均匀性最佳。温度过高或过低, 都会导致孔隙率和孔结构均匀性下降。因为温度越高, 铝硅熔体的流动性越高, 气泡与熔体间的界面张力越低, 所产生的气泡容易上浮、长大、合并, 合并之后的气泡便在试样内部形成大气孔。气泡若在试样的周边破灭, 气泡中的气体向空中逸散, 气泡发生塌陷, 这样试样的孔隙率就会下降。另外, 温度过高还会引起发泡介质分解过快, 部分发泡介质在均匀分散前就已分解, 发泡过程难以控制, 也会导致孔隙率和孔结构均匀性下降。反之, 温度过低, 铝硅熔体的流动性降低, 发泡介质难以在熔体中分散均匀和分解不充分, 出现部分区域发泡介质聚集而产生大孔、部分区域无孔的现象。

2.2 TiH2含量对泡沫孔隙结构的影响

在加热温度为620 ℃, Ca含量为1.5%, 增粘搅拌时间为4.5 min, 增粘搅拌速度约为800 r·min^-1, 分散发泡介质搅拌时间为30 s, 搅拌速度约为2000 r·min^-1 的条件下, 进行不同TiH₂添加量的实验研究, 得出如下结果。

表1 温度对泡沫铝孔隙结构的影响Table 1 Effect of temperature on cell structure of Al-foam

加热温度/℃	孔隙率/%	均匀性
590	65.9	差
610	77.6	很好
620	72.3	很好
630	69.7	好
640	64.9	一般

表2 TiH2含量对泡沫铝孔隙结构的影响Table 2Effect of TiH2content on cell structure of Al-foam

TiH₂含量/%	孔隙率/%	均匀性
1.0	62.6	差
1.2	72.3	好
1.4	71.3	好
1.6	69.7	一般
1.8	63.5	差

从表2可以看出, TiH₂含量为1.2%~1.6%时, 试样的平均孔隙率和孔结构均匀性最佳。试样的平均孔隙率随TiH₂含量的增加先增加后减少。由气泡长大动力学可知 ^[6] , 只有发泡剂的分解压大于气泡核长大的内压力, 气泡才可能长大。如果TiH₂含量过低分解出的H₂量相对较少, 熔体中的气体含量低所形成气体分解压低于气泡核长大所需的内压力, 部分气泡因没有长大驱动力而自发消失, 易于出现局部区域无气泡的实体。而当TiH₂含量过高时, 分解出的H₂使熔体达到过饱和, 多余的H₂就会从熔体中逸出, 同时还会出现TiH₂在局部区域聚集形成大孔的现象。因此并不是TiH₂含量越大越好, 有一个最佳值。

2.3 Ca含量对泡沫孔隙结构的影响

在加热温度为620 ℃, TiH₂含量为1.2%, 增粘搅拌时间为4.5 min, 增粘搅拌速度约为800 r·min^-1, 分散发泡介质搅拌时间为30 s, 搅拌速度约为2000 r·min^-1的条件下, 进行不同Ca添加量的研究, 得出如下结果。

表3 Ca含量对泡沫铝孔隙结构的影响Table 3 Effect of Ca content on cell structure of Al-foam

Ca含量/%	孔隙率/%	均匀性
1.0	61.5	差
1.2	68.3	一般
1.5	75.3	好
1.8	70.6	好
2.0	63.5	差

添加Ca的作用是增加熔体的粘度, 由于发泡剂密度一般比铝硅熔体高, 在铝硅熔体中有下沉倾向, 而且产生的气泡则会产生上浮运动并在上浮过程中合并长大。因此, 应适当增加铝硅熔体的粘度以阻止上述运动和倾向, 进而提高发泡介质在熔体中分布的均匀性。增粘剂Ca加入铝硅熔体, 通过破坏铝硅熔体表面氧化膜的致密性, 使铝硅熔体中生成大量细微的氧化物固相质点, 从而增加熔体的粘度 ^[7] 。铝硅熔体的粘度随增粘剂量的增多而增大。

熔体的粘度直接影响泡沫铝的品质。粘度不够时, 在随后的发泡过程中, 产生的气泡易于上浮、长大、合并而从熔体中逸出, 不能制得高孔隙率的泡沫铝。当粘度过大时, 发泡介质难以均匀分布在熔体中使泡沫铝的孔结构很不均匀, 而且气泡难以长大, 孔之间的壁厚增加, 孔隙率下降, 从而大大降低泡沫铝的性能。从表3可以看出, 当Ca的加入量在1.5%~1.8%之间时, 材料的孔隙率和孔均匀性最好。

2.4 其他因素的影响

除上述3个主要因素的影响之外, 添加增粘剂和发泡介质时的搅拌速度、搅拌时间、发泡保温时间、冷却速率对泡沫材料的孔隙率和均匀性也会有不同程度的影响。通常, 搅拌速度越快, 分散介质所需的时间越短。增粘剂的作用是通过氧化形成氧化物颗粒分散在熔体中提高熔体粘度, 因而搅拌速度可以较低、搅拌时间较长。而发泡介质由于加入熔体会快速分解, 需要在分解之前快速分散均匀, 因而搅拌速度选择较高、搅拌时间较短。发泡保温时间控制在发泡试样体积长至最大时保温结束, 并立即快速冷却。保温时间过长或冷却速度太慢易导致气泡的进一步合并、长大、坍塌。

表面氧化处理可以使TiH₂发泡介质颗粒表面形成一层氧化物薄膜, 对于减缓TiH₂在熔体中的分解速度起到一定的作用 ^[8] 。在620 ℃的熔体中, 经过表面氧化处理的TiH₂比没有处理的分解时间大约推迟20~30 s。这取决于TiH₂发泡介质颗粒表面形成氧化物薄膜的厚度和均匀程度。推迟TiH₂分解有利于控制其在熔体中的分散, 分解越迟缓, 分散搅拌时间就可以越长, 对发泡介质的分散效果就越好, 相应所获得的泡沫材料孔结构的分布就越均匀。

在加热温度在610~620 ℃之间, 保温时间在60~90 s之内, Ca的加入量在1.5%~1.8%之间, 增粘搅拌时间在3~5 min、搅拌速度在700~800 r·min^-1, TiH₂的含量在1.2%~1.5%, 发泡搅拌时间在30~40 s、搅拌速度在2000~3000 r·min^-1的条件下制得的泡沫铝硅合金的孔型结构如图1所示。

图1 泡沫Al-Si合金孔结构 (a) 孔隙率 68%; (b) 孔隙率 72% Fig.1 Al-Si Alloy foam Cell structure

3 结论

1.本实验采用熔体发泡法已成功制得泡沫铝硅合金, 其孔隙率为60%~80%, 孔径分布为 2~6 mm。

2.影响泡沫铝的孔隙结构的主要因素为发泡温度、发泡剂含量、粘度, 同时搅拌速度、搅拌时间、保温时间、冷却速度对孔隙率和均匀性也有不同程度的影响。

3.对于实验采用的Al-6Si基体, 加热发泡制备出孔隙结构均匀, 孔隙率可控的泡沫铝的最优条件是: 加热温度为610~630 ℃, 金属钙加入量为1.5%, 增粘搅拌时间为4~5 min, 搅拌速度约为800 r·min^-1, 发泡搅拌时间为30~40 s, 搅拌速度约为2000 r·min^-1, TiH₂含量为1.2%~1.4%。