專利名稱：一種泡沫鋁夾心板制備方法
技術領域：
本發明屬于多孔泡沫金屬材料及層狀復合材料技術領域，特別涉及一種泡沫鋁夾 心板制備方法。
背景技術：
目前，泡沫板材在各種領域被廣泛使用，尤其是泡沫鋁夾心板具有質輕，比強度及 比剛度高、抗沖擊性能好、電磁屏蔽性能佳等突出的特點，在航空、航天、汽車制造、軌道交 通等領域具有廣闊的應用前景，現在，公知的泡沫鋁夾心板的制備工藝主要有膠粘及粉末 冶金發泡法，其中，膠粘法中芯層多采用熔體發泡法生產的泡沫鋁板，其尺寸規格易于控 制，孔結構較為均勻，其不足之處是膠粘夾心板的結合強度偏低，耐高溫與耐腐蝕能力較 差。同膠粘工藝相比，采用粉末冶金發泡法制備的泡沫鋁夾心板面板/芯層的結合強 度顯著提高，由于界面實現了冶金結合，從根本上解決了膠粘法存在的產品耐高溫能力差， 易老化等缺點。現有的粉末冶金發泡預制坯的制備方法為熱壓法及一般的軋制復合法，熱 壓工藝中，由于面板/芯層需要依靠長時間的熱壓過程實現初結合，生產效率較低，另外， 受熱壓模具尺寸及壓力機能力的限制，該工藝不能生產較大規格的產品。一般的軋制復合 法由于在軋制過程中坯料邊部為自由邊界，粉末的流失量較大，且邊部的粉末致密度相對 較低。
發明內容
為解決以上泡沫鋁夾心板制備技術的不足，本發明的目的提供一種泡沫鋁夾心板 制備方法，該制備方法主要是采用薄壁管填充粉末、冷軋復合、切邊剪裁、鋼制模具中受限 發泡等過程制備高性能的泡沫鋁夾心板，實現泡沫鋁夾心板的規模化生產，簡化工藝流程， 解決粉末冶金發泡過程中有害的排液現象，利用顆粒增強作用提高泡沫鋁夾心板的力學性 能，通過薄壁管填充粉末后的冷軋復合過程調節板材的尺寸精度，優化板型，在保持軋制工 藝制備的發泡預制坯芯層粉末致密度高，面板/芯層結合牢固的特點下，使發泡預制體的 厚度精度得到明顯提高。本發明的技術方案是這樣實現的本發明泡沫鋁夾心板為三明治結構的復合板材，結構特征是芯層為均勻的泡沫 體，上下兩層面板為鋁合金板或鋼板。本發明泡沫鋁夾心板制備方法包括有混料、管材表面處理、灌粉封裝、冷軋復合、 切邊剪裁、鋼質模具內受限發泡等過程，其工藝流程如下1)混料將霧化法制成的96 98. 5%質量分數的鋁-硅合金粉末，(粒度為 200 400目)、0· 5 2%質量分數的發泡劑氫化鈦粉末(粒度為50 150目)、1 2% 質量分數的金屬鎂粉末(粒度為100 200目)，在球磨混料機上混料均勻；2)管材表面處理薄壁鋼矩形管或圓管的表面處理方式為化學鍍鎳，薄壁鋁(合金)矩形管或圓管的表面處理方式為堿洗后對管內壁進行鋼絲刷打磨；3)灌粉封裝將混合均勻后的粉末注入表面處理后的作為包覆材料的一端封閉 的采用壁厚為1 2mm薄壁鋼(或鋁)矩形管，或預壓后的圓管內，完成后將另一端封閉制 成軋制坯料；4)冷軋復合將軋制坯料在冷軋機上用50 70%的軋制壓下率、軋制壓力為 30 80噸，0. lm/s的軋制速度進行軋制復合；5)切邊剪裁軋后所得的復合板在線切割機上經切邊后按照鋼質發泡模具的尺 寸剪裁成發泡預制坯；6)鋼質模具內受限發泡將發泡預制坯置于鋼質發泡模具中在發泡爐中進行發 泡，按照計算得到的膨脹率預設模具內腔上表面高度，以控制發泡后夾心板的厚度精度，發 泡溫度為680 720°C，發泡時間1 2min ；最終可得到芯層泡沫結構均勻、板型精度高的高質量泡沫鋁夾心板材料。本發明所用設備有球磨混料機、壓力機、冷軋軋機(附帶導、衛機構)、鋼質發泡 模具、箱式電阻爐。技術條件1)泡沫體主要原料鋁-硅合金粉末，Si含量3 12. 5%，粉末粒度為200 400 目；2)包覆材料薄壁鋼或鋁矩形管或圓管；3)發泡劑氫化鈦粉末；4)混合粉末中發泡劑添加比例質量分數0. 5 2 %5)混合粉末中金屬鎂添加比例質量分數1 2%6)混料方式采用高速球磨混料機，轉速2000 3000r/min，混料時間1 2h。7)薄壁鋼矩形管或圓管的表面處理方式為化學鍍鎳。具體工藝條件鍍液成分為NiSO4 · 6H20 250g/L, NiCl2 · 6H2060g/L, H3BO3 40g/L, CH3 (CH2)11 · SO4Na 0. lg/L, C7H5NO3S 1. Og/L, C4H6O2O. lg/L,鍍液 pH 4 4. 5 ;鍍液溫度50°C ；陰極電流密度2 5A/dm2 ；電鍍時間20 40min ；薄壁鋁(合金)矩形管或圓管的表面處理方式為先用丙酮溶液清洗后，采用10% NaOH溶液浸泡10 20min，用清水沖洗干凈并烘干，之后采用鋼絲刷對管內壁進行機械打 磨；8)冷軋軋制壓下率50 70 %，軋制壓力30 80噸，軋制速度0. lm/s ；9)切邊將軋后實現板/芯界面結合及芯層粉末致密化的復合板進行切邊，切邊 后板材應具有規則的矩形外形；10)剪裁按照鋼質發泡模具的尺寸將切邊后的復合板在線切割機上切取發泡預 制坯，預制坯的尺寸與鋼質發泡模具內腔有Imm的負公差；11)發泡工藝條件采用鋼質發泡模具內受限發泡，根據計算得到的膨脹率預設 發泡模具內腔的上表面高度。發泡溫度為680 720°C，發泡時間1 2min ；
12)發泡完成后將發泡模具從爐中取出進行整體水冷，充分冷卻后從發泡模具內 取出泡沫鋁夾心板。本發明的優點采用的鋼制模具中受限發泡的工藝具有高溫快速發泡的特點，解 決了面板變形、鼓包等技術難題，可調節的模具內腔上表面高度保證發泡后得到的夾心板 具有較高的厚度精度，并可按照工藝及制品性能要求靈活調整泡沫鋁夾心板芯層泡沫體的 孔隙率等泡沫結構。
圖1為本發明泡沫鋁夾心板制備方法工藝流程圖。
具體實施例方式實施例1選取鋁-硅合金粉末(含硅12.5% )295.5g(粒度為200目)，發泡劑氫化鈦 1. 5g(粒度為50目)，金屬鎂粉末3g(粒度為100目)，將以上各種粉末裝入內含金剛球的球 磨罐中，球/料比為1 3，將球磨罐置于高能球磨機上進行混料，轉速2000r/min，混料時 間lh，采用硬鋁LY12薄壁矩形管作為包覆材料，管壁厚為1mm，矩形截面長50mm，寬10mm， 矩形管長100mm，將矩形管在10% NaOH溶液浸泡lOmin，用清水沖洗干凈并烘干，之后采用 鋼絲刷對管內壁進行機械打磨，打磨后的矩形管一端在壓力機上壓平封閉，將混好的粉末 從矩形管開放端進行填充，填充完成后將矩形管開放端進行壓平封閉制成軋制坯料，軋制 坯料在Φ300πιπι復合軋機上進行軋制復合，軋制壓下率為50%，對軋后的復合板進行切邊， 在線切割機上切取尺寸為100mmX50mm的發泡預制坯，發泡預制坯在5kW箱式電阻爐中進 行發泡，將內腔尺寸為101mmX51mm的鋼質發泡模具在電阻爐中預熱至680°C，預熱時間 30min，將切割好的發泡預制坯放入鋼質發泡模具中，發泡模具的上表面高度預設為15mm， 發泡預制坯在模具中發泡Imin后將發泡模具從爐中取出進行整體水冷，最后從發泡模具 內取出已獲得充分膨脹，具有良好芯層泡沫結構及板/芯結合強度的泡沫鋁夾心板材料。實施例2選取鋁-硅合金粉末(含硅7% ) 292. 5g(粒度為300目)，發泡劑氫化鈦3g(粒 度為100目)，金屬鎂粉末4. 5g(粒度為150目)，將以上各種粉末裝入內含金剛球的球磨 罐中，球/料比為1 3，將球磨罐置于高能球磨機上進行混料，轉速2500r/min，混料時間 1.5h，采用工業純鋁1100薄壁矩形管作為包覆材料，管壁厚為1.5mm，矩形截面長60mm，寬 8mm，矩形管長100mm，將矩形管在10% NaOH溶液浸泡15min，用清水沖洗干凈并烘干，之后 采用鋼絲刷對管內壁進行機械打磨，打磨后的矩形管一端在壓力機上壓平封閉，將混好的 粉末從矩形管開放端進行填充，填充完成后將矩形管開放端進行壓平封閉制成軋制坯料， 軋制坯料在Φ300πιπι復合軋機上進行軋制復合，軋制壓下率為60%，對軋后的復合板進行 切邊，在線切割機上切取尺寸為IOOmmX 50mm的發泡預制坯，發泡預制坯在5kW箱式電阻 爐中進行發泡，將內腔尺寸為101mmX51mm的鋼質發泡模具在電阻爐中預熱至700°C，預熱 時間30min，將切割好的發泡預制坯放入鋼質發泡模具中，發泡模具的上表面高度預設為 14mm，發泡預制坯在模具中發泡1. 5min后將發泡模具從爐中取出進行整體水冷，最后從發 泡模具內取出已獲得充分膨脹，具有良好芯層泡沫結構及板/芯結合強度的泡沫鋁夾心板材料。實施例3選取鋁-硅合金粉末(含硅3 % ) 288g (粒度為400目)，發泡劑氫化鈦6g (粒度為 150目)，金屬鎂粉末6g (粒度為200目)，將以上各種粉末裝入內含金剛球的球磨罐中，球/ 料比為1 3，將球磨罐置于高能球磨機上進行混料，轉速3000r/min，混料時間2h。，采用低 碳鋼Q235A薄壁矩形管作為包覆材料，管壁厚為1. 5mm,矩形截面長60mm，寬8mm，矩形管長 100mm。對鋼管進行化學鍍鎳，具體工藝條件為鍍液成分NiSO4 · 6H20 250g/L, NiCl2 · 6H2060g/L, H3BO3 40g/L, CH3 (CH2)11 · SO4Na 0. lg/L, C7H5NO3S 1. Og/L, C4H6O2 0. lg/L, 鍍液PH值4 ；鍍液溫度50°C，陰極電流密度2A/dm2，電鍍時間20min。化學鍍鎳后的矩形鋼 管一端在壓力機上壓平封閉，將混好的粉末從矩形管開放端進行填充，填充完成后將矩形 管開放端進行壓平封閉制成軋制坯料。軋制坯料在Φ300mm復合軋機上進行軋制復合，軋 制壓下率為70%。對軋后的復合板進行切邊，在線切割機上切取尺寸為100mmX50mm的發 泡預制坯，發泡預制坯在5kW箱式電阻爐中進行發泡，將內腔尺寸為101mmX51mm的鋼質發 泡模具在電阻爐中預熱至720°C，預熱時間30min，將切割好的發泡預制坯放入鋼質發泡模 具中，發泡模具的上表面高度預設為12mm。發泡預制坯在模具中發泡2min后將發泡模具從 爐中取出進行整體水冷，最后從發泡模具內取出已獲得充分膨脹，具有良好芯層泡沫結構 及板/芯結合強度的泡沫鋁夾心板材料。實施例4選取鋁-硅合金粉末(含硅3% ) 291g(粒度為300目)，發泡劑氫化鈦3g(粒度 為100目)，金屬鎂粉末6g(粒度為150目)，將以上各種粉末裝入內含金剛球的球磨罐中， 球/料比為1 3，將球磨罐置于高能球磨機上進行混料，轉速3000r/min，混料時間1. 5h， 采用低碳鋼Q345薄壁圓管作為包覆材料，管壁厚為1mm，管內徑為25mm，管長100mm，對鋼管 進行化學鍍鎳，具體工藝條件為鍍液成分NiSO4 · 6H20 250g/L, NiCl2 · 6H2060g/L, H3BO3 40g/L，CH3 (CH2) n .SO4Na 0. lg/L, C7H5NO3S 1. Og/L, C4H6O2 0. lg/L, II 液pH值4. 5 ；鍍液溫度50°C，陰極電流密度5A/dm2，電鍍時間40min，在壓力機上將薄壁鋼 管沿長度方向預壓至高度為IOmm并將其一端壓平封閉，將混好的粉末從預壓后管材的開 放端進行填充，填充完成后將開放端進行壓平封閉制成軋制坯料，軋制坯料在Φ300πιπι復 合軋機上進行軋制復合，軋制壓下率為70 %，對軋后的復合板進行切邊，在線切割機上切取 尺寸為IOOmmX 50mm的發泡預制坯，發泡預制坯在5kW箱式電阻爐中進行發泡，將內腔尺寸 為101mmX51mm的鋼質發泡模具在電阻爐中預熱至700°C，預熱時間30min，將切割好的發 泡預制坯放入鋼質發泡模具中，發泡模具的上表面高度預設為15mm，發泡預制體在模具中 發泡1.5min后將發泡模具從爐中取出進行整體水冷，最后從發泡模具內取出已獲得充分 膨脹，具有良好芯層泡沫結構及板/芯結合強度的泡沫鋁夾心板材料。本發明實施中工藝要求1)制備軋制坯料時，采用了薄壁鋼(或鋁)矩形管(或預壓后的圓管)灌粉后包 覆軋制工藝，坯料的頭尾部在壓力機上進行了壓平封閉，這種處理方式有效地克服了一般 軋制復合工藝中因存在自由流動邊界造成的粉末流失，提高了粉末的利用率。實踐表明，軋 制過程中粉末的損失率低于1 %，有效降低了原料損耗。薄壁管包覆軋制工藝使軋制過程中 處于密封狀態的混合粉末沒有了自由流動邊界，粉末在進入軋制區后，瞬間即被壓實，粉末層達到了極高的致密度，避免了以往存在自由流動邊界時因邊部粉末流失造成的板材寬度 方向易產生各向異性的問題。2)鋼質模具中受限發泡解決了以往發泡時上側為自由邊界造成的夾心板厚度精 度差，易出現鼓包、起皺等缺陷，使發泡后得到的夾心板具有較高的尺寸精度。根據計算得 到的膨脹率預設的模具內腔上表面高度有利于控制芯層泡沫體的孔隙率，改善泡沫結構的 均勻性。本工藝采用鋼質模具中發泡，發泡時主要依靠預制坯下面板與模具表面接觸形成 的傳導吸熱，具有熱流密度大，熱量集中的特點，可在高溫短時條件下完成預制坯的粉末冶 金發泡過程，節能效果好。3)在混合粉末中加入了一定質量分數的金屬鎂，發泡過程中金屬鎂同鋁_硅合金 發生反應，生成Mg3. 5A14. 5(A14. 5Sil. 5020)相等復雜的氧化物顆粒，這些氧化物顆粒可 以有效防止排液現象的出現。同時，新生相在熔體中的潤濕性良好，發泡后，氧化物顆粒可 均勻牢固地鑲嵌在泡壁上，有效地起到了顆粒增強的作用，顯著提高了夾心板的三點抗彎 強度與壓縮強度。夾心板的三點抗彎強度可達SOMPa以上，高于現有的粉末冶金法制備的 泡沫鋁夾心板達40 80%。
權利要求
一種泡沫鋁夾心板制備方法，其特征在于該制備方法包括有混料、管材表面處理、灌粉封裝、冷軋復合、切邊剪裁、鋼質模具內受限發泡等過程；其工藝流程如下1)混料將霧化法制成的96～98.5％質量分數的鋁 硅合金粉末，0.5～2％質量分數的發泡劑氫化鈦粉末、1～2％質量分數的金屬鎂粉末，在球磨混料機上混料均勻；2)管材表面處理薄壁鋼矩形管或圓管的表面處理方式為化學鍍鎳，薄壁鋁(合金)矩形管或圓管的表面處理方式為堿洗后對管內壁進行鋼絲刷打磨；3)灌粉封裝將混合均勻后的粉末注入表面處理后的作為包覆材料的一端封閉的采用壁厚為1～2mm薄壁鋼(或鋁)矩形管，或預壓后的圓管內，完成后將另一端封閉制成軋制坯料；4)冷軋復合將軋制坯料在冷軋機上用50～70％的軋制壓下率、軋制壓力為30～80噸，0.1m/s的軋制速度進行軋制復合；5)切邊剪裁軋后所得的復合板在線切割機上經切邊后按照鋼質發泡模具的尺寸剪裁成發泡預制坯；6)鋼質模具內受限發泡將發泡預制坯置于鋼質發泡模具中在發泡爐中進行發泡，按照計算得到的膨脹率預設模具內腔上表面高度，以控制發泡后夾心板的厚度精度。
2.按權利要求1所述之泡沫鋁夾心板制備方法，其特征在于鋁_硅合金粉末粒度為 200 400目，發泡劑氫化鈦粉末粒度為50 150目，金屬鎂粉末的粒度為100 200目。
3.按權利要求1所述之泡沫鋁夾心板制備方法，其特征在于鋼質模具內受限發泡，發 泡溫度為680 720°C，發泡時間1 2min。
全文摘要
本發明為泡沫鋁夾心板制備方法，屬于多孔泡沫金屬及層狀復合材料領域，將霧化法制得的鋁-硅合金粉末與一定比例的發泡劑氫化鈦粉末及金屬鎂粉末混合均勻，灌裝入一端密封的薄壁鋼(或鋁合金)管，灌粉后將管材另一端密封后制成軋制坯料，在冷軋機上慢速軋制復合，所得的復合板經切邊后按照發泡模具尺寸切取發泡預制坯，預制坯在鋼質模具中進行受限發泡，根據要求調整發泡溫度及發泡時間，經過高溫短時發泡后可得到芯層泡沫結構均勻，界面結合良好、厚度精度高、板型優良的高質量泡沫鋁夾心板；優點設備要求簡單，產品的板型精度、三點抗彎強度優異等突出特點，是一種適用于規模化工業生產的泡沫鋁三明治結構材料的先進技術。
文檔編號B22F5/10GK101905326SQ20101023346
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者關志昊, 姚廣春, 宋濱娜, 張敏, 李小兵, 李鴻, 王磊, 祖國胤 申請人:東北大學