專利名稱：一種泡沫金屬制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種泡沫金屬的制造方法。
泡沫金屬統(tǒng)稱為多孔金屬。通常把孔隙率較高、孔徑較大、孔隙間相互連通的輕質(zhì)多孔金屬稱為泡沫金屬?，F(xiàn)有制備泡沫金屬的方法有發(fā)泡法、電解法、鑄造法、滲流法，其中發(fā)泡法是在金屬溶液中加入Mg、Ti、Zr等金屬氫化物的氣體發(fā)生物，使其在熔體中產(chǎn)生大量氣泡，冷凝后得到含大量獨(dú)立孔洞的泡沫金屬，該方法雖然可制備高孔隙率的泡沫金屬，但由于熔體各部位溫度及凝固速度不一致，其孔隙數(shù)量及尺寸均勻性的控制很困難，而且形成的獨(dú)立孔隙還需要采用特殊的軋制工藝使其連通，方可應(yīng)用在吸聲產(chǎn)品中，其工藝流程復(fù)雜，質(zhì)量穩(wěn)定性差；電解法是以高孔隙的泡沫聚氨脂為骨架經(jīng)過導(dǎo)電預(yù)處理后，在其骨架表面電鍍一層金屬，經(jīng)過高溫焙燒去掉聚氨脂骨架，即形成網(wǎng)絡(luò)狀泡沫金屬，該方法雖然能制備高孔隙率的泡沫金屬，而且孔隙連通，但目前只限于Ni、Fe等高熔點(diǎn)金屬的應(yīng)用，其厚度尺寸受到很大的限制；鑄造法又稱熔模鑄造法，也是以泡沫聚氨脂為骨架，首先在骨架孔隙中灌入耐高溫、水溶性陶瓷漿料，待漿料固化后高溫焙燒去掉聚氨脂骨架，將多孔陶瓷體放入可抽真空的特定模具中，澆入金屬液后抽真空，使金屬液在負(fù)壓下滲入多孔陶瓷體的孔隙中，凝固后將金屬一陶瓷復(fù)合體放入水中脫溶，最后得到孔隙均勻的泡沫金屬，但該方法工藝流程十分復(fù)雜，實(shí)用性差。滲流法又稱加壓滲流法，是用加壓(正壓或負(fù)壓)的方法將液體金屬滲入預(yù)制的多孔體中，冷凝后去除多孔體材料，而獲得具有獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的泡沫金屬，該泡沫金屬制造方法簡(jiǎn)單，孔隙間相互連通、尺寸可調(diào)、孔隙率為60-80％，并可加工成任意形體，這是上述方法所不具備的。但該滲流法存在多孔體緊實(shí)度不均勻，澆注時(shí)上方顆粒易上浮問題，使得泡沫金屬中孔隙大小及分布不均勻；同時(shí)，多孔體孔隙深處的某些殘存的物質(zhì)不易清洗干凈，從而導(dǎo)致泡沫金屬表面有白斑等腐蝕引起的缺陷產(chǎn)生，影響其正常使用。其中負(fù)壓控制的滲流法由于孔隙連通性較差，孔隙的清洗和凈化就更為困難。
本發(fā)明的目的在于提出一種能使泡沫金屬孔隙尺寸及分布更加均勻，工藝流程更為簡(jiǎn)化，并能有效地消除白斑等缺陷，從而可明顯提高泡沫金屬表面質(zhì)量和整體性能的泡沫金屬制造方法。
本發(fā)明提出的泡沫金屬制造方法，具體步驟如下多孔體材料預(yù)制、金屬熔化處理、加壓復(fù)合成型、機(jī)械加工定形、后處理。其中1、多孔體材料的預(yù)制，具體工序?yàn)?1)篩分，以得到所需尺寸大小的顆粒，(2)加熱烘烤，以去除水份，(3)過篩去粉，去除小于所需尺寸的顆粒以及粉末，(4)預(yù)熱，其溫度在該多孔體材料自身熔點(diǎn)以下250-450℃為宜。得到預(yù)制顆粒。
這里的多孔體材料是指構(gòu)成泡沫金屬孔隙的填充材料，該填充材料要求具有優(yōu)良的耐熱性和水溶性，即首先能承受高溫金屬液的沖刷，在高溫下顆粒不軟化、不碎裂；其次，在水、水溶液或某些酸溶液中溶解度高，易于去除。根據(jù)金屬不同的種類及熔點(diǎn)，可選擇不同的填充材料。一般可在KCl、NaCl、Na2CO3、K3PO4、MgO等無機(jī)鹽或氧化物中選取。
2、金屬熔化處理，具體工序?yàn)閷⒔饘倩蚝辖疱V放入熔爐中進(jìn)行熔化，加入無污染的精煉劑和細(xì)化劑，去除金屬液中的氣體及渣質(zhì)，并使晶粒細(xì)化，達(dá)到規(guī)定的成型溫度后，在爐中保溫待用。一般其澆鑄溫度控制在該金屬的熔點(diǎn)以上100-250℃范圍內(nèi)為宜。金屬液在爐內(nèi)保溫及使用過程中，要確保溫度及晶粒細(xì)化效果的穩(wěn)定。
另外，金屬或合金錠在入爐前需清除表面油污和水分，減少雜質(zhì)混入。
本發(fā)明中，適合于制作泡沫金屬的金屬種類主要選擇Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金。
3、加壓復(fù)合成型。具體工序?yàn)槟＞哳A(yù)熱、多孔預(yù)制顆粒充填和預(yù)壓、澆注液體金屬、加壓成型、脫模。其中模具預(yù)熱溫度一般為150-350℃，以保證成型過程中溫度的均勻性。多孔預(yù)制顆粒填充、預(yù)壓，首先將多孔預(yù)制顆粒充填到模具的型腔中，然后在顆粒表面進(jìn)行預(yù)壓，使充填顆粒緊實(shí)、均勻，一般預(yù)壓力為0.1-3Mpa。澆注液體金屬，即在規(guī)定的澆注溫度下將金屬液一次澆入模具型腔中；然后在液面上方施加壓力，使金屬熔體在壓力下滲入預(yù)制顆粒間隙中，凝固后形成金屬一預(yù)制顆粒復(fù)合體。這里的成型壓力一般為2-15Mpa，具體按預(yù)制顆粒粒度大小及滲流高度來確定。
4、機(jī)械加工定形，即采用常規(guī)機(jī)械加工方法(如車、刨、銑、鋸、鉆等)，將金屬—顆粒復(fù)合體加工成需要的形狀及尺寸大小，如圓柱體、圓筒體、錐體、多面體、正方體、板形或其他異形體等。這里，加工比較方便，得到的加工件表面平整。
5、后處理，其工序?yàn)閷⒔?jīng)機(jī)械加工的定形件依次進(jìn)行脫溶、凈化、干燥處理。其中，脫溶包括將定形件在清水溶液中浸泡、沖洗、脫水，反復(fù)多次循環(huán)，以去除復(fù)合體中大部分的易溶填料。凈化可采用①清水凈化，②沖洗、離心凈化，③超聲波凈化，④化學(xué)品(如異丙醇)凈化，⑤真空水環(huán)凈化，其目的是徹底去除多孔體微孔中殘留的填料。根據(jù)產(chǎn)品尺寸及孔隙特性的不同，可選擇上述凈化方法中的若干種。例如可選擇①、②、③，或①、②、④，或①、②、③、④，或①、②、③、④、⑤等。脫溶、凈化時(shí)間一般為3-35小時(shí)。干燥溫度一般為100-250℃，干燥時(shí)間視干燥爐類型及產(chǎn)品尺寸來確定。通過干燥，徹底去除多孔金屬孔隙骨架上附著的水份，以保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
本發(fā)明方法中，還可在泡沫金屬上面澆注一層該金屬實(shí)體層。即根據(jù)需要，在金屬—顆粒復(fù)合體加壓成型時(shí)，在上面再澆注一層給定尺寸的該金屬實(shí)體層，如

圖1所示。使加工后的器件具有一個(gè)金屬實(shí)體邊框，以提高器件整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
由本發(fā)明方法制得的泡沫金屬其孔隙率為60-80％，通孔率大于95％，孔徑可在0.3-4.5mm范圍調(diào)節(jié)。它不僅在孔隙均勻性、孔徑可調(diào)節(jié)性、孔隙的貫通性及工藝簡(jiǎn)便性方面明顯優(yōu)于熔體發(fā)泡法，而且有效地克服了原加壓滲流法成型性差、質(zhì)量不穩(wěn)定、易產(chǎn)生白班、裂紋、缺肉、縮孔等問題，使泡沫金屬在各種大氣環(huán)境下使用及存放也不產(chǎn)生白斑等腐蝕類缺陷；同時(shí)，帶有實(shí)體金屬層(外緣或上端)的復(fù)合體，提高了泡沫金屬器件整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裝配性。本泡沫金屬是一種有實(shí)用價(jià)值的新型多孔材料，可在過濾、分離、吸聲、阻燃及催化等多領(lǐng)域得到應(yīng)用，如制造過濾器濾芯、分流器分流板、消聲器內(nèi)襯板及套筒、聲屏障吸聲面板、催化器載體等。
圖1為帶有實(shí)體金屬層的泡沫金屬結(jié)構(gòu)圖示。
圖2為經(jīng)機(jī)械加工定形的消聲器套圖示。
圖3為經(jīng)機(jī)械加工定形的過濾器濾芯圖示。
圖4為外緣為實(shí)體鉛層的泡沫鉛板圖示。
其中，1為實(shí)體金屬層，2為金屬骨架(灰白色部分)，3為孔隙(深色部分)。
實(shí)施例1泡沫鋁筒體制造將顆粒狀天然海鹽(NaCl)經(jīng)篩分后，取60目篩盤上顆粒，在300-400℃烘干，再次篩分去除粉狀物；將一定重量的顆粒物在400℃溫度下預(yù)熱0.5hr以上，顆粒物均勻加熱后，將其快速倒入內(nèi)腔為φ250×250、經(jīng)預(yù)熱(180℃)的金屬模具中，金屬模具可預(yù)先固定在某壓力機(jī)上，也可是移動(dòng)的一即當(dāng)顆粒物充填后與模具一起安放在壓力機(jī)的某一確定位置上；對(duì)型腔中的顆粒在0.5Mpa下預(yù)壓實(shí)后，向模具上口澆注牌號(hào)為ZL101鋁合金溶液，通過特制限位上壓頭，施壓至限位高度，將鋁合金液均勻壓入顆粒間隙中，冷卻凝固后脫模，獲得上端帶有10-15mm厚鋁層，其尺寸為φ250×150的金屬鋁—顆料鹽復(fù)合體(毛坯)，如圖1所示。將該復(fù)合體經(jīng)機(jī)械加工，首先去除外表的實(shí)鋁層，再按圖紙尺寸加工成筒形件，筒形件的最大尺寸為φ250×145，筒體壁厚可在5-50mm范圍內(nèi)選擇；同時(shí)，根據(jù)需要筒形件可以是貫通的，也可以是一端封閉的，如圖2、圖3所示。本發(fā)明的泡沫鋁筒件一端設(shè)置實(shí)鋁層的目的，是為了提高筒體整體強(qiáng)度，特別是端口處的強(qiáng)度，便于安裝、緊固及延長(zhǎng)使用壽命。將加工好的筒件按下列工序進(jìn)行后處理①脫溶—②沖洗—③脫水—④超聲波凈化—⑤異丙醇凈化—⑥烘干，根據(jù)筒件尺寸及壁厚不同，上述①②③工序需反復(fù)多次，④⑤工序可選擇其一，也可同時(shí)選用；最終水質(zhì)經(jīng)電導(dǎo)儀測(cè)定，其水質(zhì)電導(dǎo)率若接近原清水電導(dǎo)率，則筒件可在100-200℃烘干。最終可獲得孔隙率為70％，通孔率大于95％、孔徑為0.45mm的泡沫鋁筒形件。該筒形件可作為過濾器濾芯、消聲器吸聲體或內(nèi)襯，由于其獨(dú)特的孔隙結(jié)構(gòu)及質(zhì)輕、耐潮濕、耐腐蝕、耐熱、耐寒、加工性優(yōu)良等特性，因而，是某些非金屬材料濾芯或吸聲體以及粉末冶金濾芯或吸聲體的優(yōu)良替代品。該方法可制取的筒件尺寸為直徑φ20-1000mm，高度30-200mm，壁厚5-100mm。
采用同樣方法可制取不同尺寸及孔徑的圓柱體、圓錐體、正方體、圓板、方板及其它異形泡沫鋁件。
實(shí)施例2泡沫鉛板件制造將篩分后留在12目篩盤上的顆粒鹽在350℃烘干，再次篩分去除粉狀物后，將一定重量顆粒物在300℃均勻預(yù)熱，并將加熱的顆粒迅速倒入內(nèi)腔為100×100×200mm的方形模具中，顆粒經(jīng)0.5Mpa預(yù)壓實(shí)后，再由模具上口澆入鉛合金熔液，澆注溫度約480℃；用限位上壓頭將鉛合金熔體壓入顆粒間隙中，冷凝后脫模，即獲得尺寸為100×100×150mm金屬鉛一顆粒鹽復(fù)合體；對(duì)復(fù)合體進(jìn)行機(jī)械加工，首先將上、下端的實(shí)體鉛層去除，再用鋸加工方法將復(fù)合體加工成所需厚度的板體，獲得具有實(shí)體鉛外緣的多孔鉛板，如圖4所示，板體的厚度可在6-50mm范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，若不需實(shí)體鉛外緣，可預(yù)先將復(fù)合體外表面實(shí)體鉛層加工掉，再進(jìn)行鋸切加工。采用實(shí)施例1所述的后處理工序①②③④⑥，脫溶、凈化、烘干后，即獲得孔隙率78％，通孔率98％以上，主孔徑2.5mm并具有加強(qiáng)鉛層外緣的泡沫鉛板材。
用同樣方法也可制取正方體、圓柱體、圓板形的泡沫鉛。該泡沫鉛板材可應(yīng)用于電池極板及防護(hù)電磁屏障等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種泡沫金屬制造方法，具體步驟為多孔體材料預(yù)制、金屬溶化處理、加壓復(fù)合成型、機(jī)械加工定形、后處理，其特征在于(1)多孔體材料預(yù)制工序?yàn)棰俸Y分，得到所需尺寸大小的顆粒，②加熱烘烤，去除水份，③過篩去粉，④預(yù)熱，其溫度在該多孔體材料自身熔點(diǎn)以下250-450℃；(2)金屬熔化處理工序?yàn)閷⒔饘倩蚝辖疱V放入熔爐中進(jìn)行熔化，加入無污染的精煉劑和細(xì)化劑，去除金屬液中的氣體及渣質(zhì)，并使晶粒細(xì)化，達(dá)到規(guī)定的成型溫度，保溫待用，保溫溫度在該金屬熔點(diǎn)以上100-250℃；(3)加壓復(fù)合成型工序?yàn)槟＞哳A(yù)熱、多孔預(yù)制顆粒充填和預(yù)壓、澆注液體金屬、加壓成型、脫模，其中模具預(yù)熱溫度為150-350℃，對(duì)充填的預(yù)制顆粒預(yù)壓的壓力為0.1-3Mpa，加壓成型的壓力為2-15Mpa；(4)機(jī)械加工定形，采用機(jī)械加工方法將金屬一顆粒復(fù)合體加工成需要的形狀及尺寸大小；(5)后處理工序?yàn)閷⒔?jīng)機(jī)械加工的定形件依次進(jìn)行脫溶、凈化、干燥處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于多孔體材料在KCl、NaCl、Na2CO3、K3PO4、MgO等無機(jī)鹽或氧化物中選取。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于所用金屬可在Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金中選取。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于后處理的脫溶是將定形件在清水溶液中浸泡、沖洗、脫水，反復(fù)循環(huán)多次，直至去除復(fù)合體中大部分易溶填料；凈化是采用①清水凈化，②沖洗、離心凈化，③超聲波凈化，④化學(xué)品凈化，⑤真空水環(huán)凈化等方法中若干種方法，以徹底去除多孔體微孔中殘留的填料，干燥溫度為100-250℃，以去除多孔金屬孔隙骨架上附著的水份。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于在金屬一顆粒復(fù)合體加壓成型時(shí)，在上面澆注一層給定厚度的該金屬實(shí)體層。
全文摘要
本發(fā)明是一種泡沫金屬制造方法。具體步驟包括多孔體材料預(yù)制、金屬熔化處理、加壓復(fù)合成型、機(jī)械加工定形、后處理等。由本方法制得的泡沫金屬不僅在孔隙均勻性、孔徑可調(diào)節(jié)性、孔隙的貫通性及工藝簡(jiǎn)便性方面明顯優(yōu)于熔體發(fā)泡法,而且有效地克服了原滲流法成型性差,質(zhì)量不穩(wěn)定,易產(chǎn)生白斑等問題,可廣泛用于過濾、分離、吸聲、阻燃及催化等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)B22D25/00GK1300864SQ00127500
公開日2001年6月27日 申請(qǐng)日期2000年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月23日
發(fā)明者李道韞, 趙庭良 申請(qǐng)人:李道韞