专利名称：防锈闭孔泡沫铝合金及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种泡沫铝合金及其制备方法，尤其涉及一种防锈闭孔泡沫铝合金及其制备方法。
背景技术：
作为超轻型金属结构发展重点的闭孔泡沫铝，由于其特殊的孔隙结构，集能量吸收、阻尼减振、隔声、隔热、电磁屏蔽等多种功能于一体，实现了结构材料轻质、多功能化，在航天、车辆、海洋工业等领域有广泛应用前景。
目前泡沫铝常用的制备方法中，相对而言，熔体发泡法因具有工艺简单、便于制作大型构件而最具实用价值，同时发明人所在实验室已经掌握一致性控制孔隙率的技术，可以制造孔径、孔隙率可调的孔结构均匀的泡沫铝。现有技术采用熔体发泡法将铝镁合金泡沫化，由于增黏和发泡搅拌时间较长，因而溶于熔体中的镁易全部氧化成氧化镁，黏度无法控制，不易获得高成品率的泡沫铝合金，此外，由于镁的大量氧化及烧损，耐蚀性改善不明显。
发明内容
本发明提供一种耐腐蚀性能良好、高比强度、高成品率的防锈闭孔泡沫铝合金及其制备方法，方法简单，成本低。
本发明采用如下技术方案一种防锈闭孔泡沫铝合金，包括铝、镁、钙、稀土，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％。
上述的防锈闭孔泡沫铝的制备方法，包括以下几步第一步，将纯铝加热至熔化，向熔体中加入相当于纯铝质量的1％～11％的镁、相当于纯铝质量的0.5～5％的钙、相当于纯铝质量的0.10％～1.2％的稀土，静置10～30min，第二步，使熔体温度处于650℃～690℃，以300～600rpm的速度搅拌2min～12min，第三步，向熔体中加入相当于纯铝质量的0.5％～5％的发泡剂，以700～3000rpm的速度搅拌20～300秒，再保温20～200秒，使得铝合金熔体泡沫化，然后将泡沫铝合金熔体冷却，获得防锈闭孔泡沫铝合金。
发明原理防锈即耐腐蚀。稀土元素由于具有独特的核外电子排布，作为合金元素添加到合金中可以使合金获得优异的性能，因此在冶金、材料领域具有重要的作用。研究表明，富含Ce的稀土聚集于熔体表面的数量、聚集速度对镁的阻燃效果具有显著作用，以前的研究结果表明，铝合金中添加适量稀土元素后，它的击穿电位值普遍升高，说明了稀土元素还能提高合金耐蚀性能。钙和稀土的活性比镁高，与氧的亲和力大于镁与氧的亲和力，在熔体中可以与铝、氧等一起形成复杂致密的氧化物，与铝、镁形成稳定的金属间化合物，从而有效减少了镁的氧化和燃烧。在搅拌过程中，这些氧化物和金属间化合物又促进铝液的氧化，生成大量氧化铝的固相质点，从而使熔体的表观黏度增加，因而相对于传统泡沫铝制备的熔体发泡法，在搅拌过程中不需要另外再加增黏剂。在稀土、镁、钙、铝等元素的综合作用下，防锈泡沫铝具有良好的耐腐蚀性能和较高的屈服强度。
本发明获得如下技术效果1.本发明中加入的钙，在熔炼时的静置过程中，部分钙与其他元素如镁、稀土、氧等元素在铝熔体的表面形成致密的复合氧化膜，该氧化膜阻止了铝合金熔体的进一步氧化，另外一部分钙溶于铝合金熔体，与镁、铝等其他元素形成金属间化合物；形成的金属间化合物在搅拌过程中均匀弥散分布，从而使得熔体的黏度稳定增加，粘度容易控制。
2.本发明在铝熔体中加入镁，在熔炼静置过程中，铝、钙、镁、稀土等在表面形成了复合氧化膜，该氧化膜比较致密，阻止了熔体的进一步氧化，同时，镁与铝、钙等元素形成中间化合物；在搅拌过程中，镁也增加了铝合金熔体的粘度，由于形成了中间化合物，镁的氧化倾向相比于镁的直接加入熔体中要低得多，从而使得熔体黏度易于控制；此外，镁的加入同时降低了铝合金熔体的表面张力，使得铝合金熔体泡沫稳定性提高，最终使得泡沫铝合金成品率较高；镁元素的加入提高了泡沫铝合金的耐腐蚀性能，并提高了铝基体的强度。
3.本发明在铝熔体中加入稀土元素，在熔炼静置过程中，稀土元素对于形成复合氧化膜具有一定的作用，阻止了铝合金熔体的氧化，使得铝合金熔体的黏度易于控制，从而有利于泡沫铝合金成品率的提高；此外，稀土元素的加入同时增加了泡沫铝合金的耐腐蚀性能，同时提高了铝基体的强度。
4.本发明第二步的搅拌过程使得铝合金熔体中镁、钙、稀土元素在铝合金熔体中分布均匀，同时搅拌使得熔体的黏度增加。由于钙的先期加入，与镁、铝形成了中间相化合物，因而在增黏搅拌过程中，镁、钙的氧化程度比现有技术(加入钙立即搅拌)低。从而使得仅有少量的镁被氧化，因而铝合金耐蚀性较好。
本发明中将合金化阻燃技术应用到熔体发泡法制备防锈泡沫铝工艺中，解决了含镁的铝合金在熔化、增黏及泡沫化过程中的剧烈氧化和燃烧的问题。制备的含镁和稀土的泡沫铝孔结构均匀、成材率高，见附图1。对该样品用瑞士生产的ARL9800XP+型X-荧光光谱仪(XRF)进行随机元素含量分析，镁的含量占加入量的60％，稀土含量占加入量的30％。对该样品用荷兰FEI公司生产的SIRON场发射扫描电镜进行随机扫描，发现有以金属间化合物形式存在的镁元素(能谱见附图2，元素含量见表1，表1中，氧元素含量很少，由此可见，镁主要以金属间化合物的形式存在，碳元素为杂质，主要是金相制样时镶嵌料高分子化合物中的碳)。传统的熔体发泡法制备泡沫铝镁合金，由于不能解决镁的剧烈氧化和燃烧问题，容易生成大量氧化镁，黏度不容易控制，不能获得均匀的孔结构，产品的强度也很有限，一般低于泡沫纯铝。
表1能谱分析结果
5.本发明在铝熔化后加入镁、钙、稀土，相对于传统的熔体发泡法，稀土和钙的先期加入，促进了稀土、钙、镁、铝等金属间化合物的生成，减少了钙在搅拌过程中的烧损，降低了环境污染。用传统的熔体发泡法制备泡沫铝镁合金，在加入钙的同时进行搅拌，短时间不容易形成铝镁钙等金属间化合物，镁和钙的烧损都很严重，容易形成大量夹渣，产品含镁量有限。
6.本发明在铝熔化后加入镁、钙、稀土后无需气体保护，相对于常用的传统铝镁合金熔炼的气体保护，降低了生产成本。
7.发泡高速搅拌的作用在于将大气泡打碎，并使得发泡剂分散均匀，从而使得熔体中气泡分散均匀，发泡后的保温使得铝合金熔体均匀泡沫化，从而获得需要的孔隙率。
本发明所制备的含有镁和稀土的防锈闭孔泡沫铝合金，在具有普通泡沫铝多种功能于一体的同时，具有比闭孔泡沫纯铝高、与闭孔泡沫铝铜合金接近的屈服强度(见附图3)，具有比泡沫铝铜合金(含Cu3-12％)和泡沫纯铝更优良的耐腐蚀性能，比较见表2。由表2可见，防锈闭孔泡沫铝合金在强烈的腐蚀条件下，颜色保持光亮，孔壁保持完整，失重率低，而其它泡沫铝及其合金的颜色暗淡，孔壁不完整，失重率较高(由于泡沫铝多孔表面结构特征，实际表面积无法计算，用失重率表征其腐蚀程度，失重率越高，腐蚀程度越深)。由此可见，防锈闭孔泡沫铝合金具有优异的耐腐蚀性能。
表2防锈闭孔泡沫铝合金与其他类型泡沫铝合金防腐蚀性能比较
图1为防锈闭孔泡沫铝合金试样纵截面2为防锈闭孔泡沫铝合金试样能谱分析结果图3防锈闭孔泡沫铝合金与泡沫纯铝、泡沫铝铜合金单向压缩性能比较具体实施方式
实施例1一种防锈闭孔泡沫铝合金，包括铝、镁、钙、稀土，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，例如可以选取为1.5％，1.8％，2.6％，3.5％，4.6％，5.9％，6.3％，6.9％，7.2％，7.8％，8.3％，8.7％，9.2％，9.9％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，例如可以选取为1.5％，1.8％，1.9％，2.6％，3.5％，4.6％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％，例如可以选取为0.15％，0.18％，0.22％，0.26％，0.35％，0.46％，0.55％，0.67％，0.73％，0.79％，0.85％，0.92％，1.03％，1.15％，1.19％，稀土成分是铈、镧、钇、镨、钪中的一种或者两种以上的混合物，若为混合物，可以为任意配比。
实施例2一种防锈闭孔泡沫铝合金，包括铝、镁、钙、稀土，还可以包括钛、锰等元素(占铝的重量百分比通常小于3％)，也会有Fe(杂质，小于0.1％)，Si(杂质，重量百分比小于0.15％)等元素，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，例如可以选取为1.5％，1.8％，2.6％，3.5％，4.6％，5.9％，6.3％，6.9％，7.2％，7.8％，8.3％，8.7％，9.2％，9.9％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，例如可以选取为1.5％，1.8％，1.9％，2.6％，3.5％，4.6％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％，例如可以选取为0.15％，0.18％，0.22％，0.26％，0.35％，0.46％，0.55％，0.67％，0.73％，0.79％，0.85％，0.92％，1.03％，1.15％，1.19％，稀土成分是铈、镧、钇、镨、钪中的一种或者两种以上的混合物，若为混合物，可以为任意配比。
实施例3一种防锈闭孔泡沫铝合金，由铝、镁、钙、稀土组成，杂质Fe重量百分比小于0.1％，杂质Si重量百分比小于0.15％，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，例如可以选取为1.5％，1.8％，2.6％，3.5％，4.6％，5.9％，6.3％，6.9％，7.2％，7.8％，8.3％，8.7％，9.2％，9.9％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，例如可以选取为1.5％，1.8％，1.9％，2.6％，3.5％，4.6％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％，例如可以选取为0.15％，0.18％，0.22％，0.26％，0.35％，0.46％，0.55％，0.67％，0.73％，0.79％，0.85％，0.92％，1.03％，1.15％，1.19％，稀土成分是铈、镧、钇、镨、钪中的一种或者两种以上的混合物，若为混合物，可以为任意配比。
实施例4一种上述的防锈闭孔泡沫铝的制备方法，包括以下几步第一步，将纯铝(可以是工业纯铝)加热至熔化，加入相当于纯铝质量的1％～11％的镁，例如可以选取为1.5％，1.8％，2.6％，3.5％，4.6％，5.9％，6.3％，6.9％，7.2％，7.8％，8.3％，8.7％，9.2％，9.9％，加入相当于纯铝质量的0.5～5％的钙，例如可以选取为1.5％，1.8％，1.9％，2.6％，3.5％，4.6％，加入相当于纯铝质量的0.10％～1.2％的稀土，例如可以选取为0.15％，0.18％，0.22％，0.26％，0.35％，0.46％，0.55％，0.67％，0.73％，0.79％，0.85％，0.92％，1.03％，1.15％，1.19％，静置10～30min，时间可以选取为8分钟，15分钟，23分钟，28分钟，第二步，使熔体温度处于650℃～690℃，温度可以选取为660℃，673℃，685℃，以300～600rpm的速度搅拌2min～12min，搅拌速度可以选取为400rpm，450rpm，550rpm，搅拌时间可以选取为10分钟，8分钟，6分钟，第三步，向熔体中加入相当于纯铝质量的0.5％～5％的发泡剂，发泡剂可以为氢化钛、氢化锆、火山灰等中的一种，比例可以选取为0.9％，1.5％，1.8％，1.9％，2.6％，2.9％，3.5％，4.6％，4.8％，以700～3000rpm的速度搅拌20～300秒，搅拌速度可以选取为800rpm，1200rpm，1300rpm，1500rpm，2000rpm，2500rpm，2800rpm，搅拌时间可以选取为40秒，75秒，80秒，100秒，140秒，180秒，220秒，250秒，再保温20～200秒，保温时间可以选取为25秒，40秒，60秒，100秒，150秒，使得铝合金熔体泡沫化，将泡沫铝合金熔体冷却，冷却方式可以采用各向同时冷却的方式，也可采用侧面冷却与底部冷却相结合的方式，冷却后获得防锈闭孔泡沫铝合金。
由于采用了发泡剂氢化钛，因而在实施例1和2中铝合金基体中均有残余的钛；如果不采用氢化钛作为发泡剂，则实施例1和2中铝合金基体中残余的是其他元素，例如采用氢化锆、火山灰等作为发泡剂，则残留元素为锆等其它元素。
权利要求
1.一种防锈闭孔泡沫铝合金，其特征在于包括铝、镁、钙、稀土，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％。
2.根据权利要求1所述的防锈闭孔泡沫铝合金，其特征在于由铝、镁、钙、稀土组成，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％。
3.一种根据权利要求1所述的防锈闭孔泡沫铝的制备方法，其特征在于包括以下几步第一步，将纯铝加热至熔化，向熔体中加入相当于纯铝质量的1％～11％的镁、相当于纯铝质量的0.5～5％的钙、相当于纯铝质量的0.10％～1.2％的稀土，静置10～30min，第二步，使熔体温度处于650℃～690℃，以300～600rpm的速度搅拌2min～12min，第三步，向熔体中加入相当于纯铝质量的0.5％～5％的发泡剂，以700～3000rpm的速度搅拌20～300秒，再保温20～200秒，使得铝合金熔体泡沫化，然后将泡沫铝合金熔体冷却，获得防锈闭孔泡沫铝合金。
全文摘要
本发明公开一种防锈闭孔泡沫铝合金，包括铝、镁、钙、稀土，其中镁占铝的质量百分数为1％～11％，钙占铝的质量百分数为0.5～5％，稀土占铝的质量百分数为0.10％～1.2％。本发明还公开一种防锈闭孔泡沫铝的制备方法，包括以下几步首先将纯铝加热至熔化，加入相当于纯铝质量的1％～11％的镁、0.5～5％的钙、0.10％～1.2％的稀土，静置10～30min，其次，使温度处于650℃～690℃，搅拌，再向熔体中加入发泡剂，搅拌，再保温，使得铝合金熔体泡沫化，然后将泡沫铝合金熔体冷却，获得防锈闭孔泡沫铝合金。本发明获得的防锈闭孔泡沫铝合金耐腐蚀性能良好、高比强度、高成品率，方法简单，成本低。
文档编号C22C21/00GK1876860SQ20061008540
公开日2006年12月13日 申请日期2006年6月13日 优先权日2006年6月13日
发明者何德坪, 张勇明, 尚金堂, 何思渊, 褚旭明, 卢天健 申请人:东南大学