晶须增强型铝合金抑爆材料及其制造方法 【技术领域】
本发明涉及抑爆材料， 尤其涉及一种晶须增强型铝合金抑爆材料及其制造方法。背景技术 BLEVE(Boiling Liquid Expanding Vapour Explosion)， 即当高压储罐遇火时， 罐 内迎火面的罐壁形成滞留气泡阻碍热量传递， 液面之上的干壁也会因为被过度加热而金属 强度下降， 由此出现内部压力升高， 外部金属受高温， 发生蠕变， 强度下降的恶性局面， 从而 造成容器断裂， 形成爆炸。
美国在上世纪七十年代 (1970’ ) 开始在军事设施设备上率先使用聚氨酯泡沫抑 爆填料， 后逐渐开发和应用了金属泡沫抑爆填料。 通过不断地革新和完善， 现在全世界对铝 合金抑爆材料不论是理论上还是实践中都有了广泛的认识和应用。 国外开发的著名产品有 Explosafe、 Deto-stop、 Ex-Co、 ExploControl、 No-Ex、 eXess、 EM2 等， 国内开发和应用的产 品有 HAN、 LF21、 JFJ、 HFJ 等。这些材料的化学组成和成分各不相同， 但都以金属铝为基， 通 过添加不同的金属元素以及不同的加工工艺形成铝合金， 用来加工成铝合金抑爆材料。
在盛装有汽油、 丙烷、 乙炔等液体的容器中， 由于存在这些易挥发物质的蒸汽与空 气混合气， 极易发生燃烧和爆炸。铝合金填料具有导热性能好， 导电性能强， 比表面积大等 特点， 在充分分布于油箱后， 其蜂窝状的网状结构， 将油箱内腔分为若干个 “小室” 或 “腔 体” ， 这些 “小室” 或 “腔体” 可以有效地遏制火焰的传播， 使燃爆压力波急剧衰减 ； 同时这种 蜂窝结构的材料在单位容积内具有较高的表面效能， 从而具有良好的吸热性， 可以迅速地 将燃烧释放出来的热量吸收， 使燃烧反应后的温度降低， 反应气体的膨胀程度缩小， 容器内 的压力值增高不大， 使燃烧速度达不到爆炸的极限速度， 从而达到抑爆的目的。
随 着 社 会 经 济 和 科 学 技 术 的 发 展， 易燃易爆类液体在各领域的应用越来越 多、 越来越广。这些易燃易爆类液体的性质各异， 有些具有强腐蚀性。比如， 近年来开 发的甲醇、 乙醇汽油在生活中得到广泛应用， 但甲醇在生产和储运中可能会产生反应 (CH3OH+O2 → HCO0H+H2O)， 氧化生成的甲酸等有机酸对长期浸泡在液体中的金属抑爆材料表 面造成腐蚀。而表面被腐蚀后的抑爆材料， 其导热、 导电性能都将大大降低， 会产生碎屑和 铝锈， 从而导致堵塞油路管道。因此， 如何增强抑爆材料的抗腐蚀性十分必要。
AQ3001-2005 《汽车加油 ( 气 ) 站、 轻质燃油和液化石油气汽车罐车用阻隔防爆储 罐技术要求》 中指出 ： 汽车加油 ( 气 ) 站、 轻质燃油和液化石油气汽车罐车用储罐内不应出 现碎屑， 否则会影响储罐自身和储罐下一工序的正常工作。 如果阻隔防爆装置产生碎屑， 加 油站的储油罐底阀、 潜油泵会被堵塞或影响止回阀的密封效果。 碎屑一旦进入到加油机， 还 会影响加油机的正常工作， 后果不堪设想。 加气站的储气罐中如果产生碎屑， 除了会影响储 罐自身的一些功能 ( 如出液、 排污、 压力表、 液位仪、 泄压和放空等功能 ) 外， 还会影响后续 的液化石油气输送泵的正常工作。 轻质燃油、 液化石油气汽车罐车用储罐内如果产生碎屑， 会影响到罐体上的出液阀门、 流体输送泵、 液体流量计的正常工作。因此， 安装储罐内的阻 隔防爆装置时， 应保证储罐在运行过程中， 阻隔防爆装置不会产生碎屑。
晶须做为一种新型的增强材料， 具有高强、 耐磨、 耐热、 防腐、 导电、 减振、 阻燃、 吸 波等特殊性能， 在各种复合材料中广泛应用， 取得许多优异的力学性能。 而晶须增强金属基 复合材料是将晶须的超高强度、 刚度与金属基体的高韧性、 高延展性结合起来， 从而可以得 到许多优异性能的金属复合材料。发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种强度高、 耐腐蚀、 不产生碎屑、 不变形的晶 须增强型铝合金抑爆材料。
本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种简便、 易行的晶须增强型铝合金抑 爆材料的制造方法。
为解决上述问题， 本发明所述的一种晶须增强型铝合金抑爆材料， 由切缝并扩展 后的铝合金箔网制成， 具有网状或蜂窝状的多孔结构， 其特征在于 ： 所述铝合金箔由晶须 / 铝合金复合材料组成， 且所述晶须质量占所述铝合金基体质量的 5 ～ 20％。
所述铝合金为按常规方法生产、 含多种金属元素的普通铝合金。
所述晶须材料的长径比大于 10 且小于 2000， 其截面积小于 52×10cm2。 一种如上所述的晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法， 包括以下步骤 ：
(1) 将铝合金在 720 ～ 750℃下加热熔融， 得到铝合金熔体 ；
(2) 在 Ar 气或 CO2/SF6 气氛保护下的所述铝合金熔体中， 加入晶须材料， 经结晶器 电磁搅拌铸锭形成坯料 ；
(3) 将所述坯料铣面 ；
(4) 在 380 ～ 400℃下， 将坯料轧制成厚度为 6 ～ 6.5mm、 宽度为 40 ～ 900mm 的晶 须铝合金坯料 ；
(5) 将所述步骤 (4) 所得到的晶须铝合金坯料轧制成铝合金箔 ；
(6) 将所述步骤 (5) 所得的铝合金箔切缝整形后， 拉网扩展为铝箔网 ； 将该铝箔网 叠制成型， 得到网状抑爆材料。
所述步骤 (5) 中的铝合金箔的厚度为 0.03 ～ 0.08mm、 宽度为 40 ～ 900mm。
所述步骤 (6) 中的切缝长度为 10 ～ 15mm， 相邻切缝间距为 1 ～ 3mm 和 2 ～ 6mm。
将所述步骤 (6) 所得的网状抑爆材料分切整形， 卷绕制成柱形、 矩形或球状抑爆 材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点 ：
1、 由于本发明产品采用晶须 / 铝合金复合材料为原料， 将晶须的超高强度、 刚度 与金属基体的高韧性、 高延展性结合起来， 因此， 不仅具有普通抑爆金属材料导电、 导热性 能好， 比表面积大的优点， 而且具有抗腐蚀、 高强度的特点。
2、 由于本发明产品具有抗腐蚀、 高强度的特点， 因此， 该产品作为抑爆材料时不产 生碎屑， 不变形， 并且不产生塌陷现象， 尤其适用于腐蚀性较大的易燃易爆液体盛装容器以 及撬装式加油加气站储罐的安全防护。
3、 由于本发明产品在制造时采用结晶器电磁搅拌铸造法添加晶须材料， 因此， 晶 须材料可均匀地分散在铝合金基体中， 从而减少了晶须团聚， 使得铝基复合材料的性能较 好。
具体实施方式
实施例 1 一种晶须增强型铝合金抑爆材料， 其铝合金箔由晶须 / 铝合金复合材料 组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法， 包括以下步骤 ：
(1) 将硅 0.05 ～ 0.15 ％， 铜 1.0 ～ 1.6 ％， 锰 0.2 ～ 0.5 ％， 镁 1.0 ～ 3.0 ％， 锌 3.0 ～ 6.0％， 钛 0.02 ～ 0.06％， 锆 0.05 ～ 0.15％， 钪 0.1 ～ 0.3％， 其余为铝 ( 重量百分 比 ) 的合金置于熔融炉， 在 720℃下加热熔融， 得到铝合金熔体。
(2) 向熔融炉中通入 Ar 气或 CO2/SF6， 使铝合金熔体处于 Ar 气或 CO2/SF6 气氛保护 中， 然后加入加入铝合金基体质量 5％的直径为 0.1 ～ 1.0μm、 长度为 50 ～ 200μm、 截面积 2 小于 52×10cm 的 α-SiC 晶须粉末， 用结晶器电磁搅拌装置 (In-Mold Electro-Magnetic Stirrer 简称 M-EMS ； 其主要规格和设备技术参数为 ： 连铸坯厚 150 ～ 400mm、 宽 600 ～ 1600/900 ～ 2360mm ； 铸速 0.5 ～ 2.5m/min ； 线圈类型为线性感应电动机型， 线圈长度为极 距 420 ～ 972m、 极数 2/4、 容量 300 ～ 600kVA ； 线圈电磁力形成推力约 7 ～ 9×103kN/m2 ； 线 圈重量约 2500kg×2/st ； 线圈采用内冷水进行冷却， 接头盒密材采用 N2 或干燥空气填充 ； 结晶器长度 800 ～ 1090mm) 进行搅拌， 并控制熔体流动， 使晶须颗粒均匀分散于铝合金中 ； 然后铸锭形成坯料。
(3) 将坯料用铣面机铣面。
(4) 在 380 ℃下， 用热轧机将坯料轧制成厚度为 6mm、 宽度为 40mm 的晶须铝合 金坯料 ； 采用电子万能拉伸机、 拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试， 该合金屈服强度为 580MPa， 抗拉强度为 780MPa， 延伸率为 8％， 合金导电率为 30％ IACS。
(5) 将步骤 (4) 所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为 0.03mm、 宽度为 40mm 的铝合金箔 ；
(6) 将步骤 (5) 所得的铝合金箔经切缝机切缝整形， 切缝长度为 10mm， 相邻切缝间 距为 1mm 和 2mm ； 然后， 用拉网机展开， 扩展为铝箔网 ； 将该铝箔网叠制成型， 得到网状阻隔 防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形， 根据需填容器卷绕成柱形、 矩形或通过制球机 制成球状抑爆材料。
实施例 2 一种晶须增强型铝合金抑爆材料， 其铝合金箔由晶须 / 铝合金复合材料 组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法， 包括以下步骤 ：
(1) 将硅 0.2％， 铁 0.3％， 铜 0.05％， 锰 0.18％， 镁 1.5％， 锌 0.2％， 钛 0.08％， 镍 0.1％， 其余为铝 ( 重量百分比 ) 的合金置于熔融炉， 在 750℃下加热熔融， 得到铝合金熔体。
(2) 向熔融炉中通入 Ar 气或 CO2/SF6， 使铝合金熔体处于 Ar 气或 CO2/SF6 气氛保护 中， 然后加入加入铝合金基体质量 20％的直径为 0.2 ～ 2.0μm、 长度为 100 ～ 500μm、 截面 2 积小于 52×10cm 的硼酸镁 (Mg2B2O5) 晶须粉末， 用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌， 然后铸锭 形成坯料。
(3) 将坯料用铣面机铣面。
(4) 在 400℃下， 用热轧机将坯料轧制成厚度为 6.5mm、 宽度为 900mm 的晶须铝合金坯料 ； 采用电子万能拉伸机、 拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试， 该合金屈服强度为 650MPa， 抗拉强度为 850MPa， 延伸率为 5％， 合金导电率为 25％ IACS。
(5) 将步骤 (4) 所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为 0.08mm、 宽度为 900mm 的铝合金箔 ；
(6) 将步骤 (5) 所得的铝合金箔经切缝机切缝整形， 切缝长度为 15mm， 相邻切缝间 距为 3mm 和 6mm ； 然后， 用拉网机展开， 扩展为铝箔网 ； 将该铝箔网叠制成型， 得到网状阻隔 防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形， 根据需填容器卷绕成柱形、 矩形或通过制球机 制成球状抑爆材料。
实施例 3 一种晶须增强型铝合金抑爆材料， 其铝合金箔由晶须 / 铝合金复合材料 组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法， 包括以下步骤 ：
(1) 将硅 0.5％， 铁 0.5％， 铜 0.1％， 锰 0.1％， 镁 0.05％， 其余为铝 ( 重量百分比 ) 的合金置于熔融炉， 在 740℃下加热熔融， 得到铝合金熔体。
(2) 向熔融炉中通入 Ar 气或 CO2/SF6， 使铝合金熔体处于 Ar 气或 CO2/SF6 气氛保护 中， 然后加入加入铝合金基体质量 10％的直径为 0.3 ～ 2.0μm、 长度为 30 ～ 70μm、 截面积 2 小于 52×10cm 的氧化锌 (ZnO) 晶须粉末， 用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌， 然后铸锭形成 坯料。 (3) 将坯料用铣面机铣面。
(4) 在 390℃下， 用热轧机将坯料轧制成厚度为 6.2mm、 宽度为 500mm 的晶须铝合 金坯料 ； 采用电子万能拉伸机、 拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试， 该合金屈服强度为 680MPa， 抗拉强度为 880MPa， 延伸率为 5％， 合金导电率为 26％ IACS。
(5) 将步骤 (4) 所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为 0.05mm、 宽度为 500mm 的铝合金箔 ；
(6) 将步骤 (5) 所得的铝合金箔经切缝机切缝整形， 切缝长度为 13mm， 相邻切缝间 距为 2mm 和 4mm ； 然后， 用拉网机展开， 扩展为铝箔网 ； 将该铝箔网叠制成型， 得到网状阻隔 防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形， 根据需填容器卷绕成柱形、 矩形或通过制球机 制成球状抑爆材料。
实施例 4 一种晶须增强型铝合金抑爆材料， 其铝合金箔由晶须 / 铝合金复合材料 组成。
该晶须增强型铝合金抑爆材料的制造方法， 包括以下步骤 ：
(1) 将硅 0.4 ％， 铁 0.3 ％， 铜 0.2 ％， 锰 0.05 ％， 镁 0.15 ％， 其余为铝 ( 重量百分 比 ) 的合金置于熔融炉， 在 730℃下加热熔融， 得到铝合金熔体。
(2) 向熔融炉中通入 Ar 气或 CO2/SF6， 使铝合金熔体处于 Ar 气或 CO2/SF6 气氛保护 中， 然后加入加入铝合金基体质量 15％的直径为 0.1 ～ 0.5μm、 长度为 5 ～ 50μm、 截面积 2 小于 52×10cm 的 β-Si3N4 晶须粉末晶须材料， 用结晶器电磁搅拌装置进行搅拌， 然后铸锭 形成坯料。
(3) 将坯料用铣面机铣面。
(4) 在 380 ℃下， 用热轧机将坯料轧制成厚度为 6mm、 宽度为 200mm 的晶须铝合 金坯料 ； 采用电子万能拉伸机、 拉伸应力腐蚀试验机以及电导仪测试， 该合金屈服强度为 720MPa， 抗拉强度为 990MPa， 延伸率为 5％， 合金导电率为 20％ IACS。
(5) 将步骤 (4) 所得到的晶须铝合金坯料用冷轧机轧制成厚度为 0.06mm、 宽度为 200mm 的铝合金箔 ；
(6) 将步骤 (5) 所得的铝合金箔经切缝机切缝整形， 切缝长度为 12mm， 相邻切缝间 距为 1mm 和 5mm ； 然后， 用拉网机展开， 扩展为铝箔网 ； 将该铝箔网叠制成型， 得到网状阻隔 防爆材料。
将网状阻隔防爆材料再分切整形， 根据需填容器卷绕成柱形、 矩形或通过制球机 制成球状抑爆材料。
上述铝合金为按常规方法生产、 含多种金属元素的普通铝合金 ； 晶须材料可为金 属、 碳化物、 氮化物、 硼酸盐、 氧化物等。7