专利名称：一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法
技术领域：
本发明涉及一种泡沫铝孔隙率的控制方法，尤其涉及一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法。
背景技术：
目前国内外发泡法制备泡沫铝没有发表控制孔隙率一致性的方法，可能是由于应用并没有提出需求。高科技领域对泡沫铝的冲击能量吸收、轻质要求对泡沫铝或合金孔隙率进行一致性控制。
发明内容
本发明提供一种使孔隙率可控且均匀的一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法。
本发明采用如下技术方案一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，包括第一步在熔化后的铝或铝合金中加入占铝或铝合金重量的0.8％～3.0％的钙，用200～600转/分的转速对铝或铝合金熔体进行搅拌增粘，直到熔体粘度处于90cp～110cp就停止搅拌，第二步加入占铝或铝合金重量的0.4～2.0％的氢化钛并以800转/分～1500转/分的速度搅拌后，提出搅拌桨，将熔体在650℃～700℃保温，用位移传感计算机系统来测量保温过程中的熔体高度，待熔体上涨到对应于所需孔隙率的高度时，对泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却获得均匀孔隙率闭孔泡沫铝合金。
发明原理铝熔体的粘度使搅拌桨叶旋转时受到阻力，搅拌轴与线圈相对移动产生的感应电动势被TS2600粘度实时检测系统获得，系统将模拟量电动势转化为数字量电信号，通过标准接口由微型计算机接收，实时得到一定转速下搅拌轴所受的扭矩值，将该扭矩值和搅拌桨在相同搅拌条件下处于已知粘度的不同浓度的甘油水溶液的扭矩值相比较(可以查表获得)，可以标定一定扭矩值熔体所对应的粘度，试验结果表明，在铝或铝合金熔体增粘范围，铝或铝合金熔体的粘度和扭矩呈线性关系。因而可通过高温粘度仪的标定得到扭矩值与粘度之间的一一对应关系。
一致性控制孔隙率和均匀性的含义为能够控制孔隙率的精确度为±1.5％以内，孔结构均匀，没有大孔，样品孔隙率局部和整体平均孔隙率的差异不超过±1.5％。
本发明获得如下技术效果本发明采用精确的粘度测量装置精确测量了熔体的粘度，将粘度控制在一个适当的范围，从而能够获得孔隙率均匀的泡沫铝或合金。过小的粘度使分解产生的气泡易合并逸出，得不到高孔隙率；过大的粘度又使发泡剂难以分散均匀，产生集中空洞和底部实体，不能保证整体的孔隙率均匀。通过粘度实时检测系统可以精确测量熔体的粘度值，不同于以前靠经验判断。精确实施的检测铝熔体粘度可以保证气泡在熔体中能分散均匀且不易逸出。下表比较了其他工艺参数均相同的条件下，不同的粘度下获得的泡沫铝合金的孔隙率，结果表明熔体在95cp～110cp的粘度范围，可将泡沫铝孔隙率的均匀性控制在±1.5％以内。在实验中，还可以通过调节搅拌速度和增粘剂的加入量以及搅拌时间来控制熔体的粘度，但是这些手段由于搅拌条件、温度、增粘剂钙的纯度等的影响使得通过控制这些参数来控制熔体的粘度有很大的不确定性。因此，使用精确的粘度测量仪器来实施测量熔体的粘度对于控制熔体粘度就克服了这一缺点，使得泡沫铝孔隙率的精确度大大提高，均匀性也会进一步增加。最终还是通过精确测量粘度来确定熔体的粘度。
(1)在增粘剂加入量一定和搅拌条件一定时，控制增粘时间可以获得不同的最终粘度。实验中在搅拌速度为400rpm，增粘剂钙的加入量为1.5wt％，控制增粘时间t获得不同的最终粘度如下表。将试样由底面向上每隔20mm线切割为薄板(±0.1mm)，计算薄板的体积V，用电子天平称量薄板的质量m，由纯铝或铝合金的密度ρ即可获得孔隙率P＝1-m/(Vρ)。
时间/s 450540570600615660800粘度 78 94 98 100102107131/cp1 81.88 82.79 83.99 84.03 83.93 83.65 83.232 82.47 82.98 84.20 84.33 84.39 83.80 84.883 83.90 83.64 84.44 84.57 84.62 84.20 85.974 85.64 84.23 84.87 84.80 84.77 84.82 86.655 86.87 85.10 85.83 84.97 85.80 85.37 87.006 87.66 85.73 85.92 85.50 85.97 86.52 87.62在螺旋搅拌器中，若形状、尺寸不变，则其等效直径和高度不变。在同样的坩埚中，以一定速度搅拌，液体的表观粘度与扭矩成正比。同样，采用桨叶式搅拌器时若保持其他参数不变，铝液的粘度也与扭矩成正比。因此，在实验过程中可以测量搅拌轴所承受的扭矩变化来获得铝液粘度的变化。搅拌轴在铝液中搅拌时与粘度探测仪线圈产生感应电动势，随扭矩变化而变化，由此产生的相位差信号由TS2600接收并转化为数字信号，可直接显示或由计算机接收作进一步处理。
TS2600的扭矩探测精度为1mN·m，因此可以精确定量化的描述铝熔体增粘过程粘度的变化规律，避免经验估计的误差。同时，由于增粘剂加入量、增粘时间、炉温等不同，可能使得最终粘度变化，从而对孔隙率的控制带来非常不利的影响，本发明采用扭矩探测系统可以精确获得最终粘度，可以克服工艺参数不确定带来的影响。
(2)本发明根据P＝1-VAl/(SH)控制泡沫铝或合金熔体的体积，从而获得特定孔隙率的泡沫铝合金，而坩埚底面积S一定时，熔体体积和高度H成正比，因此本发明通过控制坩埚中熔体高度实际上也控制了泡沫铝或合金的总体平均孔隙率，其误差结合粘度控制均匀性的误差，总体不超过±1.5％。
(3)通过控制粘度而控制泡沫铝的均匀性和通过控制熔体的高度来控制泡沫铝的总体孔隙率这两个主要的技术手段，本发明获得的泡沫铝孔隙率误差不超过±1.5％。泡沫铝孔隙率的均匀性定义为任取一定高度h0(h0＝10mm～20mm)的泡沫铝，其体孔隙率相对于应在所需体孔隙率的±1.5％内。
(4)位移传感计算机系统通过测量泡沫铝熔体高度H随时间t变化关系获得泡沫铝熔体液态平均孔隙率P随时间t变化关系，包括耐热垫片、定滑轮、位移传感器，耐热垫片放置于泡沫铝熔体液面上，耐热垫片通过耐热、抗氧化金属丝连接于定滑轮的张紧的细绳上，张紧的细绳获得的位移信号输入分辨率为0.5mm～1mm、量程为80mm～200mm位移传感器及位移显示装置，获得位移的模拟量的显示。位移传感计算机系统保证实施精确测量快速生长的铝熔体的孔隙率1)发泡搅拌结束后，泡沫铝熔体与空气接触的膨胀前沿近似为平面，由于其处于等温的环境中，因此其熔体各部分的孔隙率是均匀的。设其熔体高度为H，在泡沫化过程中，随时间t的变化而变化，坩埚内底面积为S，则泡沫铝熔体的体积V＝SH，泡沫铝的孔隙率P＝1-VAl/V，而VAl可以用铝原料的质量除以其密度获得，随即可得P＝1-VAl/SH。采用不同的增粘温度、增粘剂的加入量、发泡温度、发泡剂的加入量等工艺参数获得的孔隙率与时间的变化关系是不同的，而由于对于每一种确定的泡沫铝工艺参数，该过程是完全可重复的，由此可见，获得H随时间t变化的关系就可以获得泡沫铝液态平均孔隙率随时间变化的关系，并由此可以通过严格控制凝固时间t来控制孔隙率P。2)泡沫铝合金熔体膨胀使得液面的高度发生变化，同时将放置在其上的耐热垫片向上顶，由于细绳始终是张紧的(细绳的张紧是通过挂在细绳两边的重物—可以用平衡锤的拉力来实现的)，通过耐热抗氧化金属丝及定滑轮和张紧的细绳将泡沫铝合金熔体高度的变化输入到位移传感器中。定位圆筒使得金属丝在上升的过程中不偏离竖直方向，从而使得位移传感器获得的是精确的熔体高度的变化。3)由于采用了高精度的位移传感器误差小，克服了手动测量带来的较大的误差。4)位移传感器及位移显示装置接入带有至少12位精度的模/数转换装置的计算机，将模拟量转化为数字量，可以通过调节采样频率来获取更详细的高度H和时间t变化关系，进而获得更连续的熔体孔隙率变化规律，为精确控制泡沫铝合金凝固后的孔隙率打下坚实的基础。
具体实施例方式
实施例1一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，包括第一步将850克的铝或铝合金放入底面为100mm×100mm×200mm的方形坩埚里，铝合金可以为含铜为4.5％的铝铜合金，加热至660～750℃熔化，加入占铝或铝合金重量的0.8％～3.0％的钙，可以选取为2.5％，用200～600转/分的转速对铝或铝合金熔体进行搅拌增粘，转速可以选取为400转/分，用连接于搅拌桨上的粘度测量装置实时测量熔体增粘搅拌过程中的粘度，搅拌桨搅拌熔体，受到扭矩，扭矩通过联轴器传送到扭矩仪(日本小野公司生产的ss010型扭矩仪，由扭矩探测仪和显示仪TS2600组成)上去当熔体粘度处于90厘帕～110厘帕时就停止搅拌，粘度可以是94厘帕，98厘帕，100厘帕，102厘帕，107厘帕，131厘帕，第二步加入占铝或铝合金重量的0.4～2.0％的氢化钛并以800～1500转/分的速度搅拌后，氢化钛用量可以为1.5wt％，转速可以选取为1000转/分，提出搅拌桨，将熔体在650℃～700℃保温，本实施例中，若为纯铝，温度须保持在670℃～700℃以上，用位移传感计算机系统来测量保温过程中的熔体高度，待熔体上涨到对应于所需孔隙率的高度时，对泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却获得均匀孔隙率闭孔泡沫铝合金，在本实施例中，对应于孔隙率83.4％的熔体高度为190mm，对应于84.3％的高度为200mm，对应于86.9％的熔体高度为240mm，对应于87.4％的熔体高度为250mm。
实施例2一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，包括第一步将850克的纯铝或铝合金放入底面为100mm×100mm×200mm的长方体坩埚里，铝合金可以为含铜为4.5％的铝铜合金，加热至660～750℃熔化，加入占铝或铝合金重量的0.8％～3.0％的钙，可以选取为2.5％，用200～600转/分的转速对铝或铝合金熔体进行搅拌增粘，转速可以选取为400转/分，用连接子搅拌桨上的粘度测量装置实时测量熔体增粘搅拌过程中的粘度，搅拌桨搅拌熔体，受到扭矩，扭矩通过联轴器传送到扭矩仪(日本小野公司生产的ss010型扭矩仪，由扭矩探测仪和显示仪TS2600组成)上去，当熔体粘度处于95厘帕～105厘帕时就停止搅拌，粘度可以为98厘帕，100厘帕，102厘帕，第二步加入占铝或铝合金重量的0.4～2.0％的TiH2并以800～1500转/分的速度搅拌后，TiH2用量可以为1.5％，转速可以选取为1000转/分，提出搅拌桨，将熔体在650℃～700℃保温，本实施例中，若为纯铝，温度须保持在670℃～700℃以上，用位移传感计算机系统来测量保温过程中的熔体高度，待熔体上涨到对应于所需孔隙率的高度时，对泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却获得均匀孔隙率闭孔泡沫铝合金，在本实施例中，对应于孔隙率83.4％的熔体高度为190mm，对应于84.3％的高度为200mm，对应于86.9％的熔体高度为240mm，对应于87.4％的熔体高度为250mm，在本实施例中，将铝或铝合金的粘度控制在95cp～105cp能获得更好的孔隙率控制效果，孔隙率控制用粘度测量装置，包括搅拌器和扭矩仪，搅拌器通过联轴器和扭矩仪的测量轴连接，测量获得的扭矩值在扭矩仪上显示并由计算机接收处理。
权利要求
1.一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，其特征在于包括第一步在熔化后的铝或铝合金中加入占铝或铝合金重量的0.8％～3.0％的钙，用200～600转/分的转速对铝或铝合金熔体进行搅拌增粘，直到熔体粘度处于90cp～110cp就停止搅拌，第二步加入占铝或铝合金重量的0.4～2.0％的氢化钛并以800转/分～1500转/分的速度搅拌后，提出搅拌桨，将熔体在650℃～700℃保温，用位移传感计算机系统来测量保温过程中的熔体高度，待熔体上涨到对应于所需孔隙率的高度时，对泡沫铝合金熔体采用各向同时冷却获得均匀孔隙率闭孔泡沫铝合金。
2.根据权利要求1所述的一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，其特征在于当铝或铝合金的粘度处于95cp～105cp时停止搅拌。
全文摘要
一种一致性控制泡沫铝或其合金的孔隙率及其均匀性的方法，包括第一步在熔化后的铝或铝合金中加入占铝或铝合金重量的0.8％～3.0％的钙，用200～600转/分的转速对铝或铝合金熔体进行搅拌增粘，当熔体粘度处于90cp～110cp时就停止搅拌，第二步加入占铝或铝合金重量的0.4～2.0％的TiH
文档编号C22C1/08GK1598020SQ200410041668
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月11日 优先权日2004年8月11日
发明者何德坪, 戴戈, 尚金堂 申请人:东南大学