一种泡沫铝填充铝合金空腔铸件的制备方法与流程

本发明属于铝合金铸造领域，具体涉及一种泡沫铝填充铝合金空腔铸件的制备方法。

背景技术：

二十一世纪以来，在经济全球化和技术进步不断加快的背景下，世界汽车产业，尤其是我国汽车工业进入了高速发展时期，然而超大的汽车生产消费规模随之带来了严峻的能源安全态势与巨大的环境保护压力，这就决定了汽车工业必须走发展新能源汽车和实现汽车轻量化的道路。

目前比较实用的汽车轻量化主要通过三种方式实现，分别是材料轻量化、结构轻量化和制造工艺轻量化。铝合金材料以密度低、比强度高、抗蚀能力好、导热性能优良、易加工等特点，大量应用于汽车工业领域。而铝合金空腔铸件既能同时从材料和结构上实现轻量化，又能保持铸件的机械性能不降低。目前，铝合金空腔铸件的生产工艺为通过内置砂芯进行重力或低压铸造，进一步地，砂芯的制备工艺可分为有机制芯和无机制芯。有机制芯对环境的污染较大，会损害作业人员的身体健康，同时愈加严苛的环保要求进一步导致对环保设备的投资加大。而无机制芯虽然可以有效地降低对环境的污染，但是国内的无机制芯技术距离稳定的批量生产仍然存在较大的困难。无机制芯的核心技术掌握在欧美发达国家手中，进口相应的设备需要大量的投资，这样会提高铝合金空腔铸件的生产成本，使产品失去竞争力。

泡沫铝是一种在铝基体中均匀分布着大量连通或不连通孔洞的新型轻质多功能材料，是在纯铝或者铝合金中加入添加剂后，经过发泡工艺而成，同时兼有金属和发泡材料的性能。泡沫铝具有优异的物理性能(密度小、导热率低、比表面积大)，化学性能(抗腐蚀、耐腐蚀性强)，力学性能(抗冲击、减震吸能、易加工)以及可回收性，特别是其轻质、抗震和吸能的特性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种泡沫铝填充铝合金空腔铸件的制备方法，能够在减小铸件的壁厚以满足铸件的整体质量不增加的同时，提高铸件的整体强度。

本发明的第一方面提供一种泡沫铝填充铝合金空腔铸件的制备方法，所述制备方法包括：

提供表面具有助焊剂的成型泡沫铝；

将所述表面具有助焊剂的成型泡沫铝固定在模具中，和

用铝合金液进行铸造。

根据本发明的一种实施方式，所述成型泡沫铝的等体积密度为0.2～0.5g/mm³，孔隙率为80～90％。

根据本发明的一种实施方式，所述成型泡沫铝由工业纯铝发泡形成。

具体地，本发明中泡沫铝是在工业纯铝中加入添加剂后，经熔体发泡工艺直接得到。一般按照孔结构，泡沫铝可分为闭孔泡沫铝和通孔泡沫铝，其中，闭孔泡沫铝的各孔互不相通，孔隙率在80％以上，孔径一般为2～5mm；而通孔泡沫铝的各孔相互连通，孔隙率在60～75％，孔径一般为0.8～2mm。本发明中所述成型泡沫铝为闭孔泡沫铝，孔隙率为80～90％；所述闭孔泡沫铝的密度小，仅为0.2～0.5g/mm³，同时兼有金属和气泡的性质，具备吸收冲击能力强，耐高温，防火性能强，抗腐蚀，隔音降噪，导热率低，电磁屏蔽性高，耐候性强和可回收性等优势。

具体地，本发明中采用泡沫铝填充铝合金空腔铸件，可使得铸件同时兼有铝合金空腔铸件和泡沫铝的优点，大幅提升铸件的整体强度。因此，可在保证铸件性能的前提条件下，减小铸件的壁厚，完全抵消泡沫铝的使用而带来的质量增加。

根据本发明的一种实施方式，所述提供表面具有助焊剂的成型泡沫铝的步骤包括：将泡沫铝加工成型芯形状，预热至160～180℃后，喷涂助焊剂，烘干后加热至600～660℃进行保温。

具体地，由于所述成型泡沫铝加工成型芯形状可通过锯切或机加工的方式进行。所述锯切是指采用手锯对所述泡沫铝进行切削加工以得到，切割面上不会产生金相组织的变化，因此，无需退火处理。所述锯切的缺点在于浪费材料和生产效率低。而所述机加工是指采用机械精确加工材料的加工工艺。所述机加工主要有手动加工和数控加工。其中，手动加工是指机械工人手工操作铣床、车床、钻床和锯床等机械设备来实现对各种材料进行加工的方法。手工加工适合进行小批量、简单的零件生产。而数控加工则是指机械工人运用数控设备来进行加工，包括有加工中心、车铣中心、电火花线切割设备和螺纹切削机等，数控机床的控制器通过程序语言来控制数控机床的轴，自动加工材料得到精加工工件。数控加工适合进行大批量、形状较复杂的零件生产。本发明中主要通过数控加工将泡沫铝加工成型芯的形状，以实现大批量的生产。

接着，将成型泡沫铝，预热至160～180℃后，喷涂助焊剂，然后在200℃左右保温烘干，再进行喷涂。可反复喷涂，如可进行三次喷涂，最后将所述成型泡沫铝加热至600～660℃进行保温待用。所述助焊剂的主要作用是保证所述泡沫铝与所述铝合金空腔铸件的焊接过程顺利进行。所述助焊剂可清除所述成型泡沫铝表面的氧化物，使其表面达到必要的清洁度，同时可防止焊接时表面的再次氧化，降低其表面张力，提高焊接性能。喷涂所述助焊剂的量并无特殊要求，只要能够保证所述成型泡沫铝与所述铝合金空腔铸件的焊接过程顺利进行即可。助焊剂可大体上分为无机类、有机酸类和松香类，其中，本发明中所述助焊剂可为盐酸、氢氟酸、氟化钠、氟化钾、氯化锌、氟钛酸钾等无机酸或无机盐。

根据本发明的一个实例，所述助焊剂可为氟钛酸钾水溶液，浓度可为5～15％，但不限于此。将氟钛酸钾水溶液喷涂至所述成型泡沫铝的表面，均匀地在所述成型泡沫铝表面铺展，烘干后，氟钛酸钾呈薄膜状覆盖在所述成型泡沫铝的表面，有效地隔绝空气。

根据本发明的一种实施方式，将所述表面具有助焊剂的成型泡沫铝固定在模具中的步骤包括：预先对所述模具预热至260～300℃，在所述模具的内表面喷涂一层涂料，将所述表面具有助焊剂的成型泡沫铝放入所述模具中进行固定，且使所述模具合型到位。

具体地，预先对所述模具预热至260～300℃，一方面可以避免模具温度低，出现成型困难，铸件裂纹等缺陷；另一方面，可避免由于模具温度变化太大，冷热应力很大，造成模具损坏的情况。

所喷涂的涂料是生产优质铸件必不可少的辅助原料，所述涂料的主要功能是保护金属模具，有利于铸件脱模，提高铸件表面的质量和控制热传递速率。提高铝合金铸件表面的质量，必须有效地控制所述铝合金液在所述模具内凝固的全过程，因此，模具内涂层最重要的作用是在模具内表面形成绝热层，控制高温铝合金液向所述模具的热传递速率。所述涂料通常以水作为载体，加入高温粘合剂和耐火材料配制而成，涂层厚度可为150～250μm。

根据本发明的一种实施方式，所述铸造步骤包括将所述模具加热至400～500℃后，将温度为660～700℃的所述铝合金液倒入所述模具中。具体地，所述铝合金液可通过所述助焊剂与所述成型泡沫铝焊接牢固，即使在高温条件下，所述泡沫铝与所述铝合金空腔铸件之间也能紧密焊接；而所述涂料则有助于铝合金铸件脱模，保证其表面质量。进一步地，将所述泡沫铝填充铝合金空腔铸件应用于汽车制造领域，即使在车辆长期运行振动的条件下，也能保证所述泡沫铝与所述铝合金空腔铸件之间焊接牢固。

具体地，所述铝合金液在铸造前需要依次进行熔化、精炼、成分调整、细化变质、测渣测氢和静置保温的过程。精炼是为了纯净所述铝合金液，除去所述铝合金液内的氧化铝渣和气体，从而避免铸件的缺陷。随后，成分调整前需要对所述铝合金液内的成分进行分析，可针对所需要的铝合金铸件对所述铝合金液的成分进行调整。细化变质则是向所述铝合金液中加入变质剂，形成大量分散的晶核，从而获得细小的铸造晶粒。由于所述铝合金液中氢含量偏高是铸件产生针孔的主要原因，如果能够控制所述铝合金液中的氢含量，就能够显著提高铝合金铸件的品质。因此，对所述铝合金液进行测渣测氢，可有效地控制所述铝合金液的质量。

本发明所用的铝合金无特别限制，可为车用部件常规使用的铝合金。举例来说，可为a356、zl101、zl102、zl104等。

根据本发明的一种实施方式，所述方法进一步包括对铸件进行后处理的步骤。具体地，将所述铸件取出后，切除浇口、冒口，根据产品要求对铸件进行机加工、抛丸和表面处理。与传统的铝合金空腔铸件的铸造工艺相比较，省去了振砂、落砂、吹砂以及砂回收等工序，不仅缩短铸造的工艺流程，还降低了设备、人工和管理的成本，进一步提高生产效率。同时，将所述泡沫铝填充铝合金空腔铸件应用于汽车制造领域，对整车噪声、振动、声振粗糙度(nvh)性能的提升完全可以抵消增加泡沫铝而带来的成本提升。

根据本发明的一种实施方式，所述铸件的铝合金壁厚为4～10mm。

本发明的第二方面提供一种泡沫铝填充铝合金空腔铸件，通过本发明的第一方面所述的制备方法制备获得。

本发明的泡沫铝填充铝合金空腔铸件，通过泡沫铝替代传统的砂芯，在满足轻量化要求的同时获得了更高的强度，进一步地，省去振砂、落砂、吹砂以及砂回收等工序，提高了生产效率。

附图说明

图1为泡沫铝填充汽车司机室横梁的结构示意图；

图2为泡沫铝填充汽车吸能盒的结构示意图

图中包括：11-横梁；12-横梁中填充的泡沫铝；21-吸能盒；22-吸能盒中填充的泡沫铝。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式及附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

以下参考附图所示的示意性的示例，进一步说明本发明。通过以下说明，本发明的各方面优点将更加明显。附图中相同的附图标记指代相同的部件。示意性附图中各部件的形状和尺寸仅用于示意，并不能被认为体现了实际的形状、尺寸和绝对的位置。

根据本发明的泡沫铝填充铝合金空腔铸件的制备方法大体包括以下步骤：

(1)泡沫铝的准备及预处理：采用锯切或机加工的方式将泡沫铝加工成型芯的形状，预热至160～180℃后，喷涂助焊剂，然后在200℃左右保温烘干后，再进行喷涂，反复进行三次，最后将成型泡沫铝加热至600～660℃保温待用；

(2)铝合金液的准备：依次包括熔化、精炼、成分调整、细化变质和测渣测氢步骤，最后将铝合金液保温于660～700℃待用；

(3)模具的准备：预热模具至260～300℃，喷涂一层涂料，将表面具有助焊剂的成型泡沫铝放入模具中进行固定，且使模具合型到位；

(4)铸造成型：将模具加热至400～500℃后，倒入铝合金液进行铸造；

(5)后处理：取出铸件，切除浇口、冒口，根据产品的要求进行分机加工、抛丸处理和表面处理。

实施例1

某款汽车司机室横梁：铸件外形尺寸为100×70×600mm，所用合金为a356，重量2.98kg，基本壁厚7mm。其中，汽车司机室横梁包括其铝合金空腔铸件部分和在上述空腔铸件内部填充泡沫铝部分，如图1所示，具体分别为横梁11和横梁中填充的泡沫铝12。所充填泡沫铝的外形尺寸为86×60×600mm，材料为纯铝，重量1.51kg，等体积密度为0.2～0.5g/mm³。铸造工艺：低压铸造。

具体步骤为：

(1)泡沫铝准备及预处理：采用锯切和机加工方式将泡沫铝加工成型芯形状，预热后在其表面喷涂一层助焊剂，加热保温，待用；

(2)铝合金液准备：熔化、精炼(除气除渣)、成分调整、细化变质、测渣测氢和静置保温，待用；

(3)模具准备：预热模具至260～300℃，喷涂一层涂料，将泡沫铝放入模具中固定好，将模具合型到位；

(4)铸造成形：调整设定好铝合金液温度、模具温度、泡沫铝温度等工艺参数，进行铸造；

(5)后处理：取出铸件，切除浇口、冒口，根据产品要求进行机加、抛丸及表面处理。

上述铸造过程中，所述泡沫铝为闭孔泡沫铝，基体为工业纯铝，采用熔体直接发泡成形，等体积密度为0.3g/mm³，孔隙率为80％。

所述泡沫铝预处理，将泡沫铝加热到160～180℃，在泡沫铝表面均匀喷涂助焊剂，然后200℃左右保温烘干，再进行喷涂，反复进行三次，最后将泡沫铝加热至620℃，保温待用。

进一步地，泡沫铝预处理所用助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为6％。

具体铸造工艺参数为：模具加热至420℃，铝合金液的浇铸温度为660℃，铸件壁厚7mm。

实施例2

某款汽车吸能盒：铸件外形尺寸为120×64×200mm，所用合金为a356，重量1.2kg，基本壁厚5mm。其中，汽车吸能盒包括其铝合金空腔铸件部分，和在上述空腔铸件内部填充泡沫铝部分，如图2所示，具体分别为吸能盒21和吸能盒中填充的泡沫铝22。所充填泡沫铝的外形尺寸为(32、50、18)×54×600mm，材料为纯铝，重量0.27kg，等体积密度为0.2～0.5g/mm³。铸造工艺：低压铸造。

具体步骤为：

(1)泡沫铝准备及预处理：采用锯切和机加工方式将泡沫铝加工成型芯形状，预热后在其表面喷涂一层助焊剂，加热保温，待用；

(2)铝合金液准备：熔化、精炼(除气除渣)、成分调整、细化变质、测渣测氢和静置保温，待用；

(3)模具准备：预热模具至260～300℃，喷涂一层涂料，将泡沫铝放入模具中固定好，将模具合型到位；

(4)铸造成形：调整设定好铝合金液温度、模具温度、泡沫铝温度等工艺参数，进行铸造；

(5)后处理：取出铸件，切除浇口、冒口，根据产品要求进行机加、抛丸及表面处理。

上述铸造过程中，所述泡沫铝为闭孔泡沫铝，基体为工业纯铝，采用熔体直接发泡成形，等体积密度为0.25g/mm³，孔隙率为85％。

所述泡沫铝预处理，将泡沫铝加热到160～180℃，在泡沫铝表面均匀喷涂助焊剂，然后200℃左右保温烘干，再进行喷涂，反复进行三次，最后将泡沫铝加热至640℃，保温待用。

进一步地，泡沫铝预处理所用助焊剂为氟钛酸钾水溶液，浓度为15％。

具体铸造工艺参数为：模具加热至460℃，铝合金液的浇铸温度为680℃，铸件壁厚5mm。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。