一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝及其生产工艺

摘要

本发明涉及泡沫铝材料，具体涉及一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝及其生产工艺，所述的生产工艺包括：(1)将12～20重量份发泡剂研磨并过100～180目筛；(2)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与8～15重量份无机纳米晶须、10～12重量份碳纳米管均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入发泡剂，继续搅拌均匀得铝液混合物；(3)将步骤(2)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在680～700℃下保温1～2h；(4)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料；本发明通过在泡沫铝的成型工艺中加入无机纳米晶须和碳纳米管的混合物，显著性的增强的铝合金的冲击韧性。

说明书

技术领域

本发明涉及泡沫铝材料，具体涉及一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝及其生产工艺。

背景技术

泡沫铝是一类内部存在有大量气泡、且气泡分布在连续金属相中形成孔隙结构的复合材料。它将连续相铝的金属特点和分散相气孔的孔隙特性有机地结合在一体，使得其具有了密度轻、能量吸收性能良好、独特的声学与热学性能以及优异电磁屏蔽等特点，也使得其在建筑、轨道交通、机械制造与航空航天等领域有着巨大的应用潜力。目前大规模工业化生产制备闭孔泡沫铝的方法是熔体发泡法。熔体发泡法具有工艺简单等优点，其制备闭孔泡沫铝工艺的大致流程为：将铝锭熔化后将铝熔体倾倒到一个增粘坩埚，在搅拌的情况下往铝熔体中加入金属钙类增粘剂，当熔体降温到合适粘度后，边搅拌边加入发泡剂，随即将含发泡剂熔体倒入发泡模具、并将发泡模具推入发泡炉，发泡完成后冷却即得到泡沫铝。尽管现有工艺简单，但也存在如下的不足：(1)所得产品性能的一致性难以有效保证。这是因为该工艺存在多次倾倒操作，此过程中的温度、时间等参数一旦控制出现差异就会导致泡沫铝产品的泡体等性能在所难免出现差异。(2)精确操作难度大。加入了增粘剂与发泡剂的熔体粘度较大导致其流动性差，在倾倒过程中容易出现倾倒困难等问题出现，最终导致不同批次产品的性能差异。(3)只能间断操作，(4)控制不当时，发泡体底部会出现一定厚度的实心体，并且泡沫体中泡体分布不均匀；更为重要的是，由于泡孔结构的存在，现有的泡沫铝的抗冲击韧性较差。

A356系列铝合金是一种广泛应用于车辆行业的原材，其流动性好，无热裂倾向。具体的，如A356.2铸造铝合金锭的化学成分执行标准：ASTM，Si：6.5～7.5％，Mg：0.30～0.45％，Ti≤0.2％，Fe≤0.12％，Mn≤0.05％，Cu≤0.1％，Zn≤0.05％，余量为Al。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明的目的之一在于提供一种基于A356铝合金的泡沫铝材料的生产工艺，提高泡沫铝材料的冲击韧性。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺，包括以下步骤：

(1)将12～20重量份发泡剂研磨并过100～180目筛；

(2)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与8～15重量份无机纳米晶须、10～12重量份碳纳米管均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入发泡剂，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(3)将步骤(2)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在680～700℃下保温1～2h；

(4)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

本发明中，通过在泡沫铝的成型工艺中加入无机纳米晶须和碳纳米管的混合物，该无机纳米晶须与碳纳米管交织在泡沫铝的成型浆液中，在发泡剂发泡使铝制品中形成泡孔结构时，无机纳米晶须和碳纳米管填充在泡孔的孔壁中，通过相互的牵拉使泡沫铝的冲击韧性得到提高。

本发明所述的发泡剂为泡沫铝材料发泡时常使用的，如所述的发泡剂为氢化钛、氢化锆中的一种。

所述的无机纳米晶须在泡沫铝材料中起到增强的效果，同时与碳纳米管穿插在一起，显著性的提高泡沫铝材料的冲击韧性，所述的无机纳米晶须选自氧化锌晶须、氧化镁晶须、二氧化钛晶须、碳化硅晶须中的一种或一种以上的组合物。

进一步的，所述的无机纳米晶须的长度为8～20μm，其平均直径为10～100nm。

本发明中所述的碳纳米管为单层碳纳米管、双层碳纳米管或三层以上的碳纳米管，或其组合。

为了提高所述的碳纳米管与无机纳米晶须的混合及在铝合金中的分散效果，所述的碳纳米管在添加前进行研磨破碎处理，具体的，采用机械研磨的方法将碳纳米管研磨使其断链成为碳纳米晶须，然后酸洗、烘干，接着加入无机纳米晶须后继续研磨，得到碳纳米晶须与无机纳米晶须的复合粉末，通过这样的前期处理，不仅能提高碳纳米管在铝合金中的分散效果，同时，该碳纳米晶须与无机纳米晶须混合后，显著的提高了铝合金的冲击韧性。

进一步的，本发明中，步骤(2)中，采用中频熔炼炉将A356铝合金锭熔化。由于中频炉感应加热的原理为电磁感应，其热量时由于工件自身产生，该加热方式升温速度快，氧化极少，加热效率高，工艺重复性好，自动化程度高。

本发明还提供了一种基于上述生产工艺得到的泡沫铝材料，该泡沫铝材料的泡孔率为70～84％，泡孔的大小为1～5mm。

本发明具有以下技术效果：

本发明提供的基于A356铝合金的泡沫铝材料，通过在泡沫铝的成型工艺中加入无机纳米晶须和碳纳米管的混合物，显著性的增强的铝合金的冲击韧性。

由于A356铝合金为亚共晶Al-Si合金，合金凝固过程中Si偏析现象会对合金的机械性能和加工性能造成严重的影响，本发明通过在铝合金的熔液中加入碳纳米管和无机纳米晶须，结合碳纳米管的加入带来的高效的导热能力，提高了铝液内部的过冷度，在铝液的冷却过程中，利于提高α(Al)相晶核的晶细化，α相晶核大量形成并捕获Si原子形成固溶体，从而降低了铝液中Si含量，降低了Si的偏析现象，从而确保了泡沫铝材料具有优异的机械性能。

由于无机纳米晶须与碳纳米管前期的研磨处理，相互渗透得到复合粉末，在填充到铝合金溶液后，不仅实现了良好的增强增韧效果，同时，将无机纳米晶须与铝形成的合金材料提高了加工性能，发泡剂在后序的保温发泡过程中更多的以该无机纳米晶须的部分为发泡位点，提高了发泡效率。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例1

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺：

(1)将16重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过150目筛；

(2)将11重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在300转/分的球速球磨50min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干，然后加入10重量份氧化锌晶须(购自上海凯射丰实业有限公司，牌号为HB-PZ001)继续球磨50min，得碳纳米晶须与氧化锌晶须的复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

实施例2

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺：

(1)将15重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过120目筛；

(2)将10重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在300转/分的球速球磨40min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干，然后加入9重量份氧化镁晶须(购自日本神岛氧化镁，牌号为神牌150)继续球磨40min，得碳纳米晶须与氧化镁晶须的复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

实施例3

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺：

(1)将18重量份发泡剂氢化锆(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化锆粉末)研磨并过160目筛；

(2)将12重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在300转/分的球速球磨40min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干，然后加入13重量份氧化镁晶须(购自日本神岛氧化镁，牌号为神牌150)继续球磨40min，得碳纳米晶须与二氧化钛晶须的复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化锆，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

实施例4

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺：

(1)将12重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过100目筛；

(2)将10重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在200转/分的球速球磨60min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干，然后加入8重量份氧化锌晶须(购自上海凯射丰实业有限公司，牌号为HB-PZ001)继续球磨60min，得碳纳米晶须与氧化锌晶须的复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在680℃下保温1h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

实施例5

一种基于A356铝合金的高冲击韧性泡沫铝的生产工艺：

(1)将20重量份发泡剂氢化锆(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化锆粉末)研磨并过180目筛；

(2)将12重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在400转/分的球速球磨30min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干，然后加入15重量份氧化锌晶须(购自上海凯射丰实业有限公司，牌号为HB-PZ001)继续球磨30min，得碳纳米晶须与氧化锌晶须的复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化锆，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在700℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

对比例1

本实施例与实施例1中的泡沫铝的生产工艺相同，不同的是，在步骤(2)中不加入氧化锌晶须，具体的生产工艺包括：

(1)将16重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过150目筛；

(2)将11重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)加入球磨机中，在300转/分的球速球磨50min，接着用盐酸(浓度5％)酸洗，去离子水冲洗至洗液pH为中性，烘干；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的碳纳米管粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

对比例2

本实施例与实施例1中的泡沫铝的生产工艺相同，不同的是，本实施例的生产工艺中不加入碳纳米管，仅加入无机纳米晶须，具体的生产工艺为：

(1)将16重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过150目筛；

(2)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与10重量份氧化锌晶须(购自上海凯射丰实业有限公司，牌号为HB-PZ001)均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(3)将步骤(2)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(4)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

对比例3

本实施例与实施例1的泡沫铝的生产工艺相同，不同的时，本实施例中的碳纳米管不经球磨处理，具体的生产工艺包括：

(1)将16重量份发泡剂氢化钛(购自锦州海鑫金属材料有限公司生产的氢化钛粉末)研磨并过150目筛；

(2)将11重量份碳纳米管(购自深圳市特力新材科技有限公司，97#碳纳米管，长度为8～15μm，管径为5～8nm)与10重量份氧化锌晶须(购自上海凯射丰实业有限公司，牌号为HB-PZ001)混合，得复合粉末；

(3)将100重量份A356铝合金锭破碎、研磨成颗粒，然后与步骤(2)中的复合粉末均匀混合后投入熔炼炉，并在惰性气体氛围中完全熔化，然后负压吸入步骤(1)中的发泡剂氢化钛，继续搅拌均匀得铝液混合物；

(4)将步骤(3)中的铝液混合物倾倒入模具中，推入发泡炉中，在690℃下保温2h；

(5)模具冷却，进入冷却系统中冷却即得所述的泡沫铝材料。

按照GB/T1451-2005的方法测试上述实施例1-5、对比例1-2得到的泡沫铝材料的冲击韧性，并将测试结果记录到表1中。

表1：

孔隙率％泡孔平均直径mm冲击韧性J/cm²实施例183.43.418.8实施例281.93.618.6实施例380.53.518.3实施例479.23.817.8实施例576.83.917.6对比例166.96.89.2对比例268.17.411.2对比例346.87.813.2

结合上述试验数据可以看出，本发明提供的基于A356铝合金的泡沫铝材料具有优异的冲击韧性。

在本发明提供的生产工艺中，通过前期的碳纳米管与无机纳米晶须的球磨处理，提高了发泡剂的发泡效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。