專利名稱：一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泡沫鋁孔隙率的控制方法，尤其涉及一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外發(fā)泡法制備泡沫鋁沒有發(fā)表控制孔隙率一致性的方法，可能是由于應(yīng)用并沒有提出需求。高科技領(lǐng)域?qū)ε菽X的沖擊能量吸收、輕質(zhì)要求對泡沫鋁或合金孔隙率進行一致性控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種使孔隙率可控且均勻的一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，包括第一步在熔化后的鋁或鋁合金中加入占鋁或鋁合金重量的0.8％～3.0％的鈣，用200～600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對鋁或鋁合金熔體進行攪拌增粘，直到熔體粘度處于90cp～110cp就停止攪拌，第二步加入占鋁或鋁合金重量的0.4～2.0％的氫化鈦并以800轉(zhuǎn)/分～1500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌后，提出攪拌槳，將熔體在650℃～700℃保溫，用位移傳感計算機系統(tǒng)來測量保溫過程中的熔體高度，待熔體上漲到對應(yīng)于所需孔隙率的高度時，對泡沫鋁合金熔體采用各向同時冷卻獲得均勻孔隙率閉孔泡沫鋁合金。
發(fā)明原理鋁熔體的粘度使攪拌槳葉旋轉(zhuǎn)時受到阻力，攪拌軸與線圈相對移動產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢被TS2600粘度實時檢測系統(tǒng)獲得，系統(tǒng)將模擬量電動勢轉(zhuǎn)化為數(shù)字量電信號，通過標(biāo)準(zhǔn)接口由微型計算機接收，實時得到一定轉(zhuǎn)速下攪拌軸所受的扭矩值，將該扭矩值和攪拌槳在相同攪拌條件下處于已知粘度的不同濃度的甘油水溶液的扭矩值相比較(可以查表獲得)，可以標(biāo)定一定扭矩值熔體所對應(yīng)的粘度，試驗結(jié)果表明，在鋁或鋁合金熔體增粘范圍，鋁或鋁合金熔體的粘度和扭矩呈線性關(guān)系。因而可通過高溫粘度儀的標(biāo)定得到扭矩值與粘度之間的一一對應(yīng)關(guān)系。
一致性控制孔隙率和均勻性的含義為能夠控制孔隙率的精確度為±1.5％以內(nèi)，孔結(jié)構(gòu)均勻，沒有大孔，樣品孔隙率局部和整體平均孔隙率的差異不超過±1.5％。
本發(fā)明獲得如下技術(shù)效果本發(fā)明采用精確的粘度測量裝置精確測量了熔體的粘度，將粘度控制在一個適當(dāng)?shù)姆秶?，從而能夠獲得孔隙率均勻的泡沫鋁或合金。過小的粘度使分解產(chǎn)生的氣泡易合并逸出，得不到高孔隙率；過大的粘度又使發(fā)泡劑難以分散均勻，產(chǎn)生集中空洞和底部實體，不能保證整體的孔隙率均勻。通過粘度實時檢測系統(tǒng)可以精確測量熔體的粘度值，不同于以前靠經(jīng)驗判斷。精確實施的檢測鋁熔體粘度可以保證氣泡在熔體中能分散均勻且不易逸出。下表比較了其他工藝參數(shù)均相同的條件下，不同的粘度下獲得的泡沫鋁合金的孔隙率，結(jié)果表明熔體在95cp～110cp的粘度范圍，可將泡沫鋁孔隙率的均勻性控制在±1.5％以內(nèi)。在實驗中，還可以通過調(diào)節(jié)攪拌速度和增粘劑的加入量以及攪拌時間來控制熔體的粘度，但是這些手段由于攪拌條件、溫度、增粘劑鈣的純度等的影響使得通過控制這些參數(shù)來控制熔體的粘度有很大的不確定性。因此，使用精確的粘度測量儀器來實施測量熔體的粘度對于控制熔體粘度就克服了這一缺點，使得泡沫鋁孔隙率的精確度大大提高，均勻性也會進一步增加。最終還是通過精確測量粘度來確定熔體的粘度。
(1)在增粘劑加入量一定和攪拌條件一定時，控制增粘時間可以獲得不同的最終粘度。實驗中在攪拌速度為400rpm，增粘劑鈣的加入量為1.5wt％，控制增粘時間t獲得不同的最終粘度如下表。將試樣由底面向上每隔20mm線切割為薄板(±0.1mm)，計算薄板的體積V，用電子天平稱量薄板的質(zhì)量m，由純鋁或鋁合金的密度ρ即可獲得孔隙率P＝1-m/(Vρ)。
時間/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在螺旋攪拌器中，若形狀、尺寸不變，則其等效直徑和高度不變。在同樣的坩堝中，以一定速度攪拌，液體的表觀粘度與扭矩成正比。同樣，采用槳葉式攪拌器時若保持其他參數(shù)不變，鋁液的粘度也與扭矩成正比。因此，在實驗過程中可以測量攪拌軸所承受的扭矩變化來獲得鋁液粘度的變化。攪拌軸在鋁液中攪拌時與粘度探測儀線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，隨扭矩變化而變化，由此產(chǎn)生的相位差信號由TS2600接收并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，可直接顯示或由計算機接收作進一步處理。
TS2600的扭矩探測精度為1mN·m，因此可以精確定量化的描述鋁熔體增粘過程粘度的變化規(guī)律，避免經(jīng)驗估計的誤差。同時，由于增粘劑加入量、增粘時間、爐溫等不同，可能使得最終粘度變化，從而對孔隙率的控制帶來非常不利的影響，本發(fā)明采用扭矩探測系統(tǒng)可以精確獲得最終粘度，可以克服工藝參數(shù)不確定帶來的影響。
(2)本發(fā)明根據(jù)P＝1-VAl/(SH)控制泡沫鋁或合金熔體的體積，從而獲得特定孔隙率的泡沫鋁合金，而坩堝底面積S一定時，熔體體積和高度H成正比，因此本發(fā)明通過控制坩堝中熔體高度實際上也控制了泡沫鋁或合金的總體平均孔隙率，其誤差結(jié)合粘度控制均勻性的誤差，總體不超過±1.5％。
(3)通過控制粘度而控制泡沫鋁的均勻性和通過控制熔體的高度來控制泡沫鋁的總體孔隙率這兩個主要的技術(shù)手段，本發(fā)明獲得的泡沫鋁孔隙率誤差不超過±1.5％。泡沫鋁孔隙率的均勻性定義為任取一定高度h0(h0＝10mm～20mm)的泡沫鋁，其體孔隙率相對于應(yīng)在所需體孔隙率的±1.5％內(nèi)。
(4)位移傳感計算機系統(tǒng)通過測量泡沫鋁熔體高度H隨時間t變化關(guān)系獲得泡沫鋁熔體液態(tài)平均孔隙率P隨時間t變化關(guān)系，包括耐熱墊片、定滑輪、位移傳感器，耐熱墊片放置于泡沫鋁熔體液面上，耐熱墊片通過耐熱、抗氧化金屬絲連接于定滑輪的張緊的細(xì)繩上，張緊的細(xì)繩獲得的位移信號輸入分辨率為0.5mm～1mm、量程為80mm～200mm位移傳感器及位移顯示裝置，獲得位移的模擬量的顯示。位移傳感計算機系統(tǒng)保證實施精確測量快速生長的鋁熔體的孔隙率1)發(fā)泡攪拌結(jié)束后，泡沫鋁熔體與空氣接觸的膨脹前沿近似為平面，由于其處于等溫的環(huán)境中，因此其熔體各部分的孔隙率是均勻的。設(shè)其熔體高度為H，在泡沫化過程中，隨時間t的變化而變化，坩堝內(nèi)底面積為S，則泡沫鋁熔體的體積V＝SH，泡沫鋁的孔隙率P＝1-VAl/V，而VAl可以用鋁原料的質(zhì)量除以其密度獲得，隨即可得P＝1-VAl/SH。采用不同的增粘溫度、增粘劑的加入量、發(fā)泡溫度、發(fā)泡劑的加入量等工藝參數(shù)獲得的孔隙率與時間的變化關(guān)系是不同的，而由于對于每一種確定的泡沫鋁工藝參數(shù)，該過程是完全可重復(fù)的，由此可見，獲得H隨時間t變化的關(guān)系就可以獲得泡沫鋁液態(tài)平均孔隙率隨時間變化的關(guān)系，并由此可以通過嚴(yán)格控制凝固時間t來控制孔隙率P。2)泡沫鋁合金熔體膨脹使得液面的高度發(fā)生變化，同時將放置在其上的耐熱墊片向上頂，由于細(xì)繩始終是張緊的(細(xì)繩的張緊是通過掛在細(xì)繩兩邊的重物—可以用平衡錘的拉力來實現(xiàn)的)，通過耐熱抗氧化金屬絲及定滑輪和張緊的細(xì)繩將泡沫鋁合金熔體高度的變化輸入到位移傳感器中。定位圓筒使得金屬絲在上升的過程中不偏離豎直方向，從而使得位移傳感器獲得的是精確的熔體高度的變化。3)由于采用了高精度的位移傳感器誤差小，克服了手動測量帶來的較大的誤差。4)位移傳感器及位移顯示裝置接入帶有至少12位精度的模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的計算機，將模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，可以通過調(diào)節(jié)采樣頻率來獲取更詳細(xì)的高度H和時間t變化關(guān)系，進而獲得更連續(xù)的熔體孔隙率變化規(guī)律，為精確控制泡沫鋁合金凝固后的孔隙率打下堅實的基礎(chǔ)。
具體實施例方式
實施例1一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，包括第一步將850克的鋁或鋁合金放入底面為100mm×100mm×200mm的方形坩堝里，鋁合金可以為含銅為4.5％的鋁銅合金，加熱至660～750℃熔化，加入占鋁或鋁合金重量的0.8％～3.0％的鈣，可以選取為2.5％，用200～600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對鋁或鋁合金熔體進行攪拌增粘，轉(zhuǎn)速可以選取為400轉(zhuǎn)/分，用連接于攪拌槳上的粘度測量裝置實時測量熔體增粘攪拌過程中的粘度，攪拌槳攪拌熔體，受到扭矩，扭矩通過聯(lián)軸器傳送到扭矩儀(日本小野公司生產(chǎn)的ss010型扭矩儀，由扭矩探測儀和顯示儀TS2600組成)上去當(dāng)熔體粘度處于90厘帕～110厘帕?xí)r就停止攪拌，粘度可以是94厘帕，98厘帕，100厘帕，102厘帕，107厘帕，131厘帕，第二步加入占鋁或鋁合金重量的0.4～2.0％的氫化鈦并以800～1500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌后，氫化鈦用量可以為1.5wt％，轉(zhuǎn)速可以選取為1000轉(zhuǎn)/分，提出攪拌槳，將熔體在650℃～700℃保溫，本實施例中，若為純鋁，溫度須保持在670℃～700℃以上，用位移傳感計算機系統(tǒng)來測量保溫過程中的熔體高度，待熔體上漲到對應(yīng)于所需孔隙率的高度時，對泡沫鋁合金熔體采用各向同時冷卻獲得均勻孔隙率閉孔泡沫鋁合金，在本實施例中，對應(yīng)于孔隙率83.4％的熔體高度為190mm，對應(yīng)于84.3％的高度為200mm，對應(yīng)于86.9％的熔體高度為240mm，對應(yīng)于87.4％的熔體高度為250mm。
實施例2一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，包括第一步將850克的純鋁或鋁合金放入底面為100mm×100mm×200mm的長方體坩堝里，鋁合金可以為含銅為4.5％的鋁銅合金，加熱至660～750℃熔化，加入占鋁或鋁合金重量的0.8％～3.0％的鈣，可以選取為2.5％，用200～600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對鋁或鋁合金熔體進行攪拌增粘，轉(zhuǎn)速可以選取為400轉(zhuǎn)/分，用連接子攪拌槳上的粘度測量裝置實時測量熔體增粘攪拌過程中的粘度，攪拌槳攪拌熔體，受到扭矩，扭矩通過聯(lián)軸器傳送到扭矩儀(日本小野公司生產(chǎn)的ss010型扭矩儀，由扭矩探測儀和顯示儀TS2600組成)上去，當(dāng)熔體粘度處于95厘帕～105厘帕?xí)r就停止攪拌，粘度可以為98厘帕，100厘帕，102厘帕，第二步加入占鋁或鋁合金重量的0.4～2.0％的TiH2并以800～1500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌后，TiH2用量可以為1.5％，轉(zhuǎn)速可以選取為1000轉(zhuǎn)/分，提出攪拌槳，將熔體在650℃～700℃保溫，本實施例中，若為純鋁，溫度須保持在670℃～700℃以上，用位移傳感計算機系統(tǒng)來測量保溫過程中的熔體高度，待熔體上漲到對應(yīng)于所需孔隙率的高度時，對泡沫鋁合金熔體采用各向同時冷卻獲得均勻孔隙率閉孔泡沫鋁合金，在本實施例中，對應(yīng)于孔隙率83.4％的熔體高度為190mm，對應(yīng)于84.3％的高度為200mm，對應(yīng)于86.9％的熔體高度為240mm，對應(yīng)于87.4％的熔體高度為250mm，在本實施例中，將鋁或鋁合金的粘度控制在95cp～105cp能獲得更好的孔隙率控制效果，孔隙率控制用粘度測量裝置，包括攪拌器和扭矩儀，攪拌器通過聯(lián)軸器和扭矩儀的測量軸連接，測量獲得的扭矩值在扭矩儀上顯示并由計算機接收處理。
權(quán)利要求
1.一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，其特征在于包括第一步在熔化后的鋁或鋁合金中加入占鋁或鋁合金重量的0.8％～3.0％的鈣，用200～600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對鋁或鋁合金熔體進行攪拌增粘，直到熔體粘度處于90cp～110cp就停止攪拌，第二步加入占鋁或鋁合金重量的0.4～2.0％的氫化鈦并以800轉(zhuǎn)/分～1500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌后，提出攪拌槳，將熔體在650℃～700℃保溫，用位移傳感計算機系統(tǒng)來測量保溫過程中的熔體高度，待熔體上漲到對應(yīng)于所需孔隙率的高度時，對泡沫鋁合金熔體采用各向同時冷卻獲得均勻孔隙率閉孔泡沫鋁合金。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，其特征在于當(dāng)鋁或鋁合金的粘度處于95cp～105cp時停止攪拌。
全文摘要
一種一致性控制泡沫鋁或其合金的孔隙率及其均勻性的方法，包括第一步在熔化后的鋁或鋁合金中加入占鋁或鋁合金重量的0.8％～3.0％的鈣，用200～600轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速對鋁或鋁合金熔體進行攪拌增粘，當(dāng)熔體粘度處于90cp～110cp時就停止攪拌，第二步加入占鋁或鋁合金重量的0.4～2.0％的TiH
文檔編號C22C1/08GK1598020SQ200410041668
公開日2005年3月23日 申請日期2004年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月11日
發(fā)明者何德坪, 戴戈, 尚金堂 申請人:東南大學(xué)