一种可控结构闭孔泡沫铝锭的高效连续铸造方法技术

一种可控结构闭孔泡沫铝锭的高效连续铸造方法，属于多孔金属连续制备技术领域。该方法通过改变发泡剂的处理手段实现对熔体中发泡剂的分解控制，连续化生产不仅大幅提高生产效率，同时解决静态铸造中存在的无泡层问题，在连续铸造过程中通过控制浇注温度、浇注速度和冷却强度实现闭孔泡沫铝铸锭的连续生产。该方法通过加入不同种类、不同加入量、不同粒度、经过不同预处理的发泡剂来控制铝基体中气泡的尺寸和形状，该孔结构的控制方法具有更高的可实现性，更符合实际应用中对产品多样性的要求。该方法工艺简单，成本低廉，实现了连续铸造，大幅度提高了生产效率，更符合工业化要求，采用该方法可以高效率连续制备大规格的闭孔泡沫铝铸锭。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】，属于多孔金属连续制备
。该方法通过改变发泡剂的处理手段实现对熔体中发泡剂的分解控制，连续化生产不仅大幅提高生产效率，同时解决静态铸造中存在的无泡层问题，在连续铸造过程中通过控制浇注温度、浇注速度和冷却强度实现闭孔泡沫铝铸锭的连续生产。该方法通过加入不同种类、不同加入量、不同粒度、经过不同预处理的发泡剂来控制铝基体中气泡的尺寸和形状，该孔结构的控制方法具有更高的可实现性，更符合实际应用中对产品多样性的要求。该方法工艺简单，成本低廉，实现了连续铸造，大幅度提高了生产效率，更符合工业化要求，采用该方法可以高效率连续制备大规格的闭孔泡沫铝铸锭。【专利说明】一种可控结构闭孔泡沬铝锭的高效连续铸造方法
本专利技术涉及，属于多孔金属连续制备
。
技术介绍
泡沫铝具有超低密度、高比强度/比刚度，及吸声、抗冲击、阻燃、电磁屏蔽等优良性能，因而既可作为轻质结构、减振介质应用于航空航天、武器装备和汽车等领域，也可作为功能材料应用于高速公路隔音、建筑物减噪及电子仪表电磁波防护等方面。目前，常用的制备泡沫铝的方法有渗流铸造法、熔模铸造法、电解沉积法、固气共晶凝固法，粉末冶金法、注气发泡法、熔体发泡法等。其中，渗流铸造法、熔模铸造法、电解沉积法主要用于制备开孔泡沫铝。渗流铸造法可以得到孔径均匀性较好的开孔泡沫铝，但所获得泡沫铝的孔隙率不高且仅限于比较窄的范围，一般在50%-70%，同时其工艺复杂、成本较高；熔模铸造法类似于渗流铸造法，此法可以制备不同孔隙率的泡沫铝，而且重复性好，密度稳定，但是其难点在于如何在不破坏泡沫铝结构的同时去除耐热模型，这增加了其工艺难度及成本；电解沉积法制备出来的泡沫铝的孔洞连通性好、分布均匀、孔隙率大，但工序长，操作繁琐，应用有限。固气共晶凝固法、粉末冶金法、注气发泡法、熔体发泡法主要用于闭孔泡沫铝的制备。固气共晶凝固法是较有特点的制备多孔材料的方法，但是因为制备过程可变因素多，另外，此方法还涉及到安全的问题，且工艺控制较为复杂，所以目前仍局限于实验室中，还没有实现商业化应用；粉末冶金法制备的泡沫产品质量好，性能稳定，工件的再现性高，且可以制备形状复杂的近成品尺寸的零件，但此方法的工艺较复杂，成本也相对较高，适于铸造加工一些小零件，不适合大规模工业生产。专利CN 202849520 U所述的采用粉末冶金法连续制备泡沫铝的装置，其实现方式仅是实现预制块到小型件的连续发泡，并不是真正意义上的泡沫铝连续制备方法。注气发泡法是目前唯一商业应用的连续制备闭孔泡沫铝材料的方法。注气发泡法是向具有一定粘度的熔融铝或铝合金中通入气体(空气、氮气、氢气)，使之在其中生成大量细小弥散的气泡，冷却凝固后在铝基体中形成气孔，从而得到泡沫铝。挪威的Hydro铝业公司和加拿大的Cymat铝业公司供应的泡沫铝合金就是用此方法生产的。注气发泡法是一种外生气源的发泡方法，气泡具有生成快，易聚合长大和破灭等特点，因而其发泡过程不易控制。液态泡沫铝通过传送带进行传送并且同时进行冷却得到闭孔泡沫铝板。这种方法简单、经济，可以连续生产。但目前用此方法制备泡沫铝，都是将发泡熔体上部先凝固的泡沫铝用牵引辊及传送带拉出熔体，实现连续制备，而熔体中的气体会在熔体中运动上浮、合并长大，这就决定了其结构中存在部分大气泡，存在孔尺寸较大、孔形状不规则的不足，而且很难实现制备孔径细小且相对密度较大的泡沫铝试样。虽然专利CN 102312117 A对现有技术进行改进，采用微孔输气，使初入熔体的泡孔尺寸减小，但仍难以控制之后气泡的合并长大，同时由传送带的机械作用而引起的孔结构不均匀也是需要解决的问题之一。相比较而言，熔体发泡法工艺简单、成本低廉，适合工业化生产。该方法的基本思路与注气发泡法相似，其主要区别在于熔体发泡法是一种内生气源发泡方法，气泡在熔体中的形成、生长等过程都与发泡剂的种类、加入量、粒度、预处理方法等有重要关联，因而采用熔体发泡法可以通过对发泡剂的相关选择及处理对孔结构进行很好的控制。采用熔体发泡法制备闭孔泡沫铝时，因为纯液态金属的粘度普遍很低，气泡在其中的排液过程往往发生太快，因而很难存留。解决办法之一就是在发泡前向铝液中加入增粘介质，使其粘度增加，从而阻止气泡膜的排液，使气泡稳定地存留在铝熔体中。在发泡气体产生的同时对液体进行搅拌使熔体和气泡更加均匀，并且使气泡变得细小，这一步工艺的好坏将直接影响产品质量。目前在静态条件下采用熔体发泡法制备泡沫铝已经比较成熟，但是随着工业化的推进及社会需要的增多，低效率的静态制备技术已经不能满足需求，因而泡沫铝的连续制备越来越引起人们的重视。但是在实现泡沫铝连续制备的过程中也有很多突出的问题: (1)发泡剂分解难控制，增大孔结构均匀性实现难度。美国专利us.pat.3743353所述用TiH2作发泡剂制备泡沫铝时的搅拌发泡时间要求控制在I~2min，这极大地增加了制备操作难度，应用于连续铸造中可实现性较差； (2)静态铸造存在无泡层。目前静态铸造中，发泡体底部会出现一定厚度的实心体，虽然可以通过加入Mg等 润湿剂减少底部无泡层，但并不能完全消除； (3)目前可实现的设备及工艺复杂，操作难度大。中国专利CN102586644 A描述了一种闭孔泡沫铝的半连续生产工艺，主要包括复合模具的组装与预热、熔体在熔炼炉中的熔制、熔炼炉中熔体经真空抬包往中间包的定量转运、增粘组份在中间包熔体中的加入、中间包中熔体往复合模具的过渡坩埚中的半连续供应、发泡剂在复合模具的过渡坩埚中的搅拌加入、复合模具中的过渡坩埚与充型模具的分离、含熔体充型模具在发泡炉中的保温发泡以及发泡完成后充型模具的冷却等工序。该专利虽然实现了熔体发泡法制备泡沫铝的半连续铸造，但是其设备结构及工艺过程仍然非常复杂，虽然其在一定程度上提高了生产效率，但仍不及连续铸造方法的高效率； (4)只能间断操作，不是真正意义上的连铸。中国专利CN1320710A所述方法改进了国外专利，使得泡沫铝操作难度有所减小，但该方法属于间隙操作，效率不高且难制备出大规格泡沫招制品； (5)不同批次产品难以保证质量稳定。过程工艺复杂，多次倾倒，温度、时间等控制因素无法保证均一，造成产品质量差异； (6)产品规格小。美国专利US.pat6984356B2与中国专利ZL200610032465.0分别描述了一种泡沫铝的连续制备方法与连续发泡装备，尽管这两个专利可实现泡沫铝的低成本连续生产，但难以制备出大规格的泡沫铝制品。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供，以高效生产泡孔结构均匀性良好，质量稳定，性能良好的闭孔泡沫铝及铝合金材料。本专利技术的技术方案是:，包括以下步骤: 0)准备工序:将保温炉、发泡炉、搅拌器和分段式保温结晶器进行预热； 1)熔炼工序:将铝基体在熔炼炉内熔化，得到铝基熔体，再转移至保温炉内静置保温；所述铝基体为纯铝、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝铜合金、铝锌合金、铝硅镁合金、铝硅铜合金、招锌娃合金、招镁猛合金、招猛铜合金、招铜镁合金、招镁娃铜合金或招锌镁铜合金; 2)增粘及润湿促进工序:保温炉内温度为700-850°C时，加入调节熔体粘度的增粘剂，并进行机械搅拌，随后加入调节熔体润湿性的润本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可控结构闭孔泡沫铝锭的高效连续铸造方法，其特征在于，包括以下步骤：0）准备工序：将保温炉、发泡炉、搅拌器和分段式保温结晶器进行预热； 1）熔炼工序：将铝基体在熔炼炉内熔化，得到铝基熔体，再转移至保温炉内静置保温；所述铝基体为纯铝、铝硅合金、铝镁合金、铝锰合金、铝铜合金、铝锌合金、铝硅镁合金、铝硅铜合金、铝锌硅合金、铝镁锰合金、铝锰铜合金、铝铜镁合金、铝镁硅铜合金或铝锌镁铜合金；2）增粘及润湿促进工序：保温炉内温度为700‑850℃时，加入调节熔体粘度的增粘剂，并进行机械搅拌，随后加入调节熔体润湿性的润湿促进剂金属镁，并持续机械搅拌2‑15min，得到增粘后的铝基熔体；所述增粘剂为金属钙、碳化硅颗粒或氧化铝粉末，所述金属钙的加入量为熔体总质量的1.0%‑10%，所述碳化硅颗粒的加入量为熔体总质量的2%‑20%，所述氧化铝粉末的加入量为熔体总质量的2%‑20%；所述润湿促进剂金属镁的加入量为熔体总质量的0.1%‑5%，所述机械搅拌的速率为500‑1500r/min；3）发泡工序：将增粘后的铝基熔体转移至发泡炉内，调节发泡炉温度，加入经过预先热处理或表面包覆处理的发泡剂，持续搅拌使发泡剂始终分布均匀，所述发泡剂的加入方式为气体粉末混合旋转喷吹，气体吹入速率为0.5‑10L/min，气体粉末混合比例为0.5‑20g/L，发泡剂的加入温度为高于铝基体熔点15‑30℃；同时向发泡炉内定时补充增粘后的铝基熔体，发泡炉始终保持在600‑750℃，得到泡沫铝基熔体；所述搅拌速率为500‑1500r/min；所述发泡剂是粒度为20目‑800目的CaCO3 、MgCO3 、TiH2或 ZrH2，所述CaCO3的加入量为熔体总质量的0.5%‑10%，所述MgCO3的加入量为熔体总质量的0.5%‑10%，所述TiH2的加入量为熔体总质量的0.1%‑5%，所述ZrH2的加入量为熔体总质量的0.1%‑5%；4）浇铸工序：泡沫铝基熔体通过发泡炉底部的浇注水口浇铸到分段式保温结晶器内，在分段式保温结晶器低温区内壁的一次冷却作用下首先凝固，在铸造过程中控制分段式保温结晶器各段保温，得到闭孔泡沫铝铸锭；所述保温温度为400‑800℃；5）牵引拉坯工序：保温结晶器内液穴深度为10‑25mm时，牵引装置带动底模下降，保温结晶器下部的牵引辊同步转动，在拉坯底模及牵引辊的双重作用下，所述闭孔泡沫铝铸锭脱离分段式保温结晶器并接受二次冷却，在冷却介质的作用下完全凝固，形成可持续生产的闭孔泡沫铝铸锭；所述牵引装置下行拉坯速度为0.05‑0.25m/min。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝海，许正斌，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21