CN102876909B - 泡沫金属及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种泡沫金属及其制备方法，包括以下步骤：将钎涂钎料合金进行气雾化制粉步骤得到球形钎涂钎料粉末；将球形钎涂钎料粉末与高分子粘结剂进行混合得到合金膏体；将空心金属浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的空心金属；将涂有合金膏体的空心金属进行干燥处理后，进行烧结步骤得到泡沫金属。解决了现有技术中泡沫金属强度差，耐冲击性能差，耐磨、耐腐蚀性能差的技术问题。

Description

泡沫金属及其制备方法

技术领域

本发明涉及泡沫金属领域，特别地，涉及一种泡沫金属，本发明的另一方面还提供了前述泡沫金属的制备方法。

背景技术

泡沫金属是指孔隙度达到90%以上，具有一定强度和刚度的多孔金属。多孔泡沫金属材料实际上是金属与气体的复合材料，具有比重小、比表面大、能量吸收性好，阻焰、耐热耐火、抗热震、气敏、能再生、加工性好等优点。多孔泡沫金属材料可分为通孔体泡沫金属和闭孔体泡沫金属。通孔体泡沫金属具有换热散热能力高、吸声性好、渗透性优、电磁波吸收性好的优点；而闭孔体泡沫金属具有导热率低等优点。因此，作为一种新型功能材料，多孔泡沫金属在电子、通讯、化工、冶金、机械、建筑、交通运输业中，甚至在航空航天技术中有着广泛的用途。

目前，已经商品化生产的泡沫金属有泡沫铝，泡沫铜，泡沫镍，泡沫铁镍等。而泡沫金属的制备方法主要有以下六种：铸造法、粉末冶金法、金属沉积法、烧结法、熔融金属发泡法、共晶定向凝固法。其中熔融金属发泡法的工艺过程为将金属熔融后，在其中加入发泡剂，利用发泡剂析出的气体产生气泡，在冷却后，即可制得泡沫金属。熔融金属发泡法主要应用于低熔点的Al、Sn等泡沫金属的制备。金属沉积法是采用化学或物理的方法把金属沉积在易分解的有机物上，再利用烧结的方法将有机物去除。金属沉积法主要包括电沉积和气相沉积两种方法。烧结法的工艺过程为先把海绵切成所需要的形状，使其充分吸收含有金属粉末的浆液，干燥后经过烧结热处理使海绵分解。继续加热使有机金属化合物分解和使物料烧结，冷却后就可以得到空隙率较高的泡沫金属。现有的泡沫金属的生产方法工艺流程复杂，生产过程都有废气废渣排放，存在环境污染和对操作人员身体影响的问题。同时，用上述生产方法出来的多孔泡沫金属是以牺牲其力学性能来换取高孔率、高比表面积和高通孔率，普遍存在强度和耐冲击性差的问题；泡沫金属由于采用的是铝，铜和镍的单质金属，其表面耐磨耐蚀性能还有待提高。

发明内容

本发明目的在于提供一种泡沫金属及其制备方法，以解决现有技术中泡沫金属强度差，耐冲击性能差，耐磨、耐腐蚀性能差的技术问题。

为实现上述目的，根据本发明的一个方面提供了一种泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：一种泡沫金属的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将钎涂钎料进行气雾化制粉步骤得到球形钎涂钎料粉末；

2）将球形钎涂钎料粉末与高分子粘结剂进行混合得到合金膏体；

3）将空心金属浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的空心金属；

4）将涂有合金膏体的空心金属进行干燥处理后，进行烧结步骤得到泡沫金属。

进一步地，钎涂钎料包括钎料，钎料为镍基钎料、无氧铜钎料、铜磷锡镍钎料、锌铝钎料中的一种。

进一步地，钎涂钎料还包括耐磨耐腐蚀粉末，耐磨耐腐蚀粉末与钎料的重量比1：1~9，耐磨耐腐蚀粉末为WC粉或立方氮化硼粉。

进一步地，球形钎涂钎料粉末的粒径为-150目。

进一步地，空心金属为空心管、空心球或空心金属切屑。

进一步地，干燥处理为将涂有合金膏体的空心金属在40~90℃下烘干或者自然晾干。

进一步地，涂有合金膏体的空心金属表面膏体厚度为0.05~0.2mm。

进一步地，烧结步骤为将经过干燥处理的涂有膏体的空心金属在氨分解气氛保护下或者在真空下，以430~1100℃温度烧结5min~20min。

一种由前述的制备方法制备而成的泡沫金属。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的泡沫金属，一方面，采用工业上废旧的空心金属为原料，既保存了金属本身的高强度和高抗冲击性能；同时，由于空心金属具有较大的空隙，使制得的泡沫金属具有较高的孔隙度或通孔性。另一方面，发明采用了钎涂钎焊工艺，钎焊属于冶金结合，空心金属之间的结合稳固；钎涂工艺是钎料在空心金属表面形成一层合金涂层，该合金涂层终身不脱落，不生锈，具有防腐性能和优良的耐磨性能，解决了现有技术中泡沫金属强度低，耐冲击性能弱、耐磨耐蚀性差的问题。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照实施例，对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式

以下结合说明书对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明的一个方面提供了一种泡沫金属的制备方法，包括以下步骤：

1）将钎涂钎料进行气雾化制粉步骤得到球形钎涂钎料粉末；

2）将球形钎涂钎料粉末与高分子粘结剂进行混合得到合金膏体；

3）将空心金属浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的空心金属；

4）将涂有合金膏体的空心金属进行干燥处理后，进行烧结步骤得到泡沫金属。

空心金属浸泡在合金膏体之前，先进行除油、清洗、晾干步骤，保证合金膏体与空心金属的紧密结合。

涂有合金膏体的空心金属进行干燥处理后进行堆放成型得到空心金属块，以便于后续的烧结步骤。

本发明提供了一种泡沫金属的制备方法，一方面，采用工业上废旧的空心金属为原料，既保存了金属本身的高强度和高抗冲击性能；同时，由于空心金属具有较大的空隙，使制得的泡沫金属具有较高的孔隙度或通孔性。一方面，发明采用了钎涂钎焊工艺，钎焊就是在金属的表面涂有由钎涂钎料制成的合金膏体，然后将涂有合金膏体的金属紧密贴合，在高温下进行烧结完成金属之间焊接过程，属于冶金结合。这种钎涂钎焊工艺没有改变空心金属的内部结构，不破坏金属的强度和耐冲击性能，空心金属之间的结合稳固，得到的泡沫金属具有高强度，耐冲击性能强；同时钎涂工艺是钎涂钎料在空心金属表面形成一层合金涂层，该合金涂层终身不脱落，不生锈，具有防腐性能和优良的耐磨性能，解决了现有技术中泡沫金属强度低，耐冲击性能弱、耐磨耐蚀性差的问题。另一方面，本发明提供的泡沫金属，在制备过程中无废气废渣排放，对环境无污染，适合工业化生产。

高分子粘结剂的作用为在于使钎涂钎料粉末能形成膏体，能方便地涂敷在空心金属表面，在常温下可固化。本发明采用的高分子粘结剂为本领域技术人员常用于金属之间粘结的高分子粘结剂，如酚醛树脂，丙烯酸树脂等。在本发明中，钎涂钎料制成球形细粉末，与高分子粘结剂按照重量比1：5~4：5的比例混合，配制成涂料状合金膏体，应用时只要将要处理的金属件简单地放入合金膏体中浸泡一下，也可以采用喷涂方法将合金膏体喷在空心金属的表面，然后将金属拿出，稍作干燥处理后，即可进行后续的钎涂钎焊烧结处理。

气雾化制粉步骤在气雾化制粉机中进行，采用气雾化制粉步骤对钎料进行制粉，得到的钎料粉末为球形，表面氧含量低，有利于空心金属之间的钎涂钎焊，使空心金属粘结更紧密，得到的空心金属耐冲击性能更强。本发明的气雾化制粉步骤采用本领域技术人员常用的操作。

钎涂钎料包括钎料，钎料为镍基钎料、无氧铜钎料、铜磷锡镍钎料、锌铝钎料中的一种。钎涂钎料粉末一方面要考虑涂层钎料合金粉末熔化时对金属管或金属空心球的润湿性，保证金属管与金属管之间或金属空心球之间形成高强度的冶金连接；另一方面也要考虑涂层钎料合金粉末本身的耐磨耐蚀性能，保证在泡沫金属表面形成的金属涂层具有良好的耐磨耐蚀性能。本发明选择的钎料为镍基钎料、无氧铜钎料、铜磷锡镍钎料、锌铝钎料中的一种，其中镍基钎料粉末，钴基钎料粉末，无氧铜粉末对于碳钢，合金钢，不锈钢等材料具有较高的润湿性，能形成高强度的冶金连接。铝硅钎料粉末，锌铝钎料粉末和锡锌钎料粉末对于铝管和空心铝球有较高的润湿性，能形成高强度的冶金连接。铜锡钎料粉末，铜磷钎料粉末，铜磷锡镍钎料粉末对铜有较高的润湿性，能形成高强度的冶金连接。

钎涂钎料粉末还包括耐磨耐腐蚀粉末。在钎涂钎料中混和重量比为1~9：1的具有强化耐磨耐蚀性能的耐磨耐腐蚀粉末，可以提高泡沫金属的耐腐蚀耐磨性能，耐磨耐腐蚀粉末为WC粉或立方氮化硼粉。

球形钎涂钎料粉末的粒径为-150目。采用气雾化制粉步骤得到的球形钎涂钎料粉末，当球形钎涂钎料粉末的粒径为-150目时，可以与高分子粘结剂的混合更充分,以便形成均匀的膏体。

本发明采用的空心金属为废旧的空心管或空心球，同时，本发明的空心金属还可以为金属切屑后遗留的具有高孔隙率的条带状空心金属切屑。本发明将废旧的金属变废为宝，不但节约了成本，还保护了环境。当采用的空心金属是空心管时，可将废旧的同一管径、同一壁厚的空心管切割成相同长度，然后将空心管相互堆砌成特定的形状，牢固地冶金连接在一起。空心管的堆砌方式可以是将空心管按照同一方向进行整齐排列；还可以是让空心管随机排列堆砌。当采用的空心金属是空心球时，可将同一壁厚、同一球径的空心球相互牢固地冶金连接在一起。由于空心管和空心球本身具有孔隙，以空心管或空心球制成的泡沫金属不仅具有较高的强度，耐冲击，高比表面积，同时还具有较高的孔隙度。本发明所描述的空心金属切屑为卷曲带状切屑，管形螺旋屑，盘形螺旋屑，环形螺旋屑，锥形螺旋屑、弧状切屑等其外形呈弯曲条带状的金属切屑。其中，切屑流出后，形成平的或略带扭转的带条状切屑，以及因切屑不断流出而使较平直的带条状切屑受阻弯曲成无规则乱缠式带条状切屑均称带状切屑。切屑流出后，形成外形如圆管形螺旋状的切屑称管形螺旋屑。切屑流出后，形成外形如钟表发条形或呈宝塔状的切屑均称盘形螺旋屑。切屑流出后，形成外形如一串弹簧垫圈形的切屑称环形螺旋屑。切屑流出后，形成外形如圆锥形螺旋状的切屑称锥形螺旋屑。切屑流出后，弯曲成一个或若干个联在一起的瓦片状切屑称弧状切屑。由于本发明采用呈弯曲条带状金属切屑为材料制成的泡沫金属，当这些金属切屑堆积在一起时会形成较高的空隙度，通孔性大，同时比由金属粉末或金属纤维烧结而成的泡沫金属具有更大的比表面积。

干燥处理为将涂有合金膏体的空心金属在40~90℃下烘干或者自然晾干。涂有合金膏体的空心金属经干燥后，合金膏体牢地粘附在空心金属的表面，在随后的加工过程中不会脱落。若干燥温度过高，则合金膏体易在金属表面形成气孔或崩落，导致空心金属之间的焊合不均匀，影响泡沫金属的冲击强度。

涂有合金膏体的空心金属表面膏体厚度为0.05~0.2mm。合金膏体可以在各种复杂形状金属表面，包括管道内外壁进行涂层处理，工艺过程方便可控。膏体厚度过低，则空心金属之间焊合不充分。

空心金属堆放成型的步骤：将涂有合金膏体的空心金属堆放在成型框中，保证空心金属之间紧密接触，然后放入真空炉或者氨分解气氛保护炉中，进行钎涂钎焊步骤，冷却后即可形成泡沫金属块泡沫金属块。成型框材质的选择要保证钎料合金不润湿。

烧结步骤为将所述涂有合金膏体的空心金属块在氨分解气氛保护下或者在真空下，以430~1100°C温度烧结5min~20min。将空心金属块在真空下或者在氨分解气氛保护下进行烧结步骤，可防止钎料在高温下氧化，影响空心金属之间的焊合。若烧结温度过低，则钎料不能融化，无法完成焊合；若烧结温度过高，则会影响空心金属本身的物理属性。

本发明另一方面还提供了一种由前述的制备方法制备而成的泡沫金属。

实施例

以下实施例中的高分子粘结剂购于湖南新光环科技发展有限公司，型号：HJbinder-1208。其余材料或设备均为市售。

实施例1

1）用气雾化制粉步骤得到粒径为-150目的球形NiCrP钎料粉末。

2）将NiCrP钎料粉末与WC粉按照重量比为3：1的比例进行混合得到钎涂钎料。

3）将钎涂钎料粉末与高分子粘结剂按照重量比为1：3混合得到合金膏体。

4）将壁厚为1mm、直径为100mm的不锈钢管切成长度为100mm的不锈钢空心管。将空心管进行除油、清洗、凉干，然后浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的不锈钢空心管。

5）将涂有合金膏体的不锈钢空心管自然晾干，堆放在高度为100mm，长宽均为600mm的成型框中，保证各不锈钢空心管之间紧密接触。

6）将堆放有不锈钢空心管的成型框放置在真空钎焊炉中以1050℃下进行烧结10min取出，冷却得到不锈钢空心管泡沫金属块。

实施例2

1）用气雾化制粉步骤得到粒径为-150目的球形无氧铜钎料粉末。

2）将无氧铜钎料粉末与高分子粘结剂按照重量比为1：1混合的得到合金膏体。

3）将壁厚为0.5mm、直径为8mm的不锈钢空心球进行除油、清洗、凉干，然后浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体不锈钢的空心球。

4）将涂有合金膏体的不锈钢空心球自然晾干，堆放在高度为32mm，长宽均为320mm的成型框中，保证各不锈钢空心球之间紧密接触。

5）将堆放有不锈钢空心球的成型框放置在氨分解气保护网带钎焊炉中在1100℃下进行烧结20min取出，冷却得到不锈钢空心球泡沫金属块。

实施例3

1）将钎涂钎料进行气雾化制粉步骤得到粒径为-150目的球形铜磷锡镍钎料粉末。

2）将钎涂钎料粉末与高分子粘结剂按照重量比为1：3混合得到合金膏体。

3）将壁厚为0.5mm、直径为3mm的铜空心管进行除油、清洗、凉干，然后浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的铜空心管。

4）将涂有合金膏体的铜空心管自然晾干，堆放在高度为10mm，长宽均为300mm的成型框中，保证各铜空心管之间紧密接触。

5）将堆放有铜空心管的成型框放置在氨分解气保护网带钎焊炉中以850℃下进行烧结20min取出，冷却得到空心管泡沫金属块。

实施例4

1）用气雾化制粉步骤得到粒径为-150目的球形锌铝钎料粉末。

2）将锌铝钎料粉末与高分子粘结剂按照重量比为1：1混合得到合金膏体。

3）将壁厚为0.3mm、直径为3mm的铝空心球进行除油、清洗、凉干，然后浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的铝空心球。

4）将涂有合金膏体的铝空心球自然晾干，堆放在高度为9mm，长宽均为300mm的成型框中，保证各铝空心球之间紧密接触。

5）将堆放有铝空心球的成型框放置在氨分解气保护网带钎焊炉中以480℃下进行烧结20min取出，冷却得到铝空心球泡沫金属块。

实施例5

1）用气雾化制粉步骤得到粒径为-150目的球形NiCrSiB钎料粉末。

2）将NiCrSiB钎料粉末与高分子粘结剂按照重量比为1：1混合得到合金膏体。

3）将不锈钢管形螺旋屑切成长度大约10mm的短屑。将不锈钢切屑进行除油、清洗、凉干，然后浸泡在合金膏体中得到涂有合金膏体的不锈钢切屑。

4）将涂有合金膏体的不锈钢切屑自然晾干，堆放在特定形状的挤压成型机中以0.1MPa的压力进行挤压成型得到不锈钢金属切屑块。

5）将不锈钢金属切屑块放置在真空钎焊炉中以1050℃下进行烧结10min取出，冷却得到不锈钢切屑泡沫金属块。

对比例1

在模具中将铝融化得到铝液，将体积百分比为10~20%，粒径为20μm的碳化硅加入到铝液中，然后将氮气吹入铝液中形成气泡，搅拌使气泡分布均匀。待铝液成半固态后从模具中取出，冷却至室温得到固态铝，在固态铝的表面的气孔间贴上一层铝纤维丝，然后浸泡在涂料溶液中浸泡，取出晾干得到泡沫金属。

对比例2

1）在高温炉的底部铺上一层5mm以上的混合碳粉；混合碳粉由90wt%的石英砂和10wt%的碳粉组成。

2）用铁镍电沉积生成开孔率为25ppi，直径为100mm，厚度为25mm的圆盘状泡沫不锈钢样件。

3）将泡沫不锈钢样件堆埋在混合碳粉中，在500℃下煅烧120min得到泡沫金属。

对比例3

1）将孔径为2~3mm的均匀的塑料基泡沫切成所需要的形状。

2）将铜熔解成铜液浸泡在塑料基泡沫上，使其充分吸收含有铜液。

3）将吸收有铜液的塑料基泡沫在干燥后，在真空钎焊炉中以1050℃下进行烧结10min取出得到泡沫金属。

将实施例1~5和对比例1~3的泡沫金属进行性能检测，性能检测结果列于表1中。

符号A表示表示泡沫金属的耐磨性能，将泡沫金属按照常规RCA耐磨测试方法进行测试，若RCA耐磨测试超过3000次以上表面无划痕，用符号A1表示；若RCA耐磨测试在1000~3000次之间，表面出现划痕，用符号A2表示；若RCA耐磨测试在1000次以下，表面出现划痕，用符号A3表示。

符号B表示泡沫金属的耐腐蚀性能，将泡沫金属浸泡在相对水的体积百分比为50%的硝酸溶液中5min后取出，若泡沫金属表面光滑，用符号B1表示；若泡沫金属表面出现腐蚀现象，则用符号B2表示。

表1泡沫金属的性能检测结果表

从上述表1检测结果可知，采用实施例1~5的制备方法制备而成的泡沫金属，其压缩强度，冲击强度，孔隙率、通孔率，耐磨性和耐腐蚀性能均优于对比例1~3。证明采用本发明的制备方法制备而成的泡沫金属，在密度不变的情况下，具有更高的压缩强度，更强的耐冲击性能弱；同时孔隙率和通孔率更大，泡沫金属耐摩擦、耐腐蚀性能更强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种泡沫金属的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将钎涂钎料合金进行气雾化制粉步骤得到球形钎涂钎料粉末；

2）将所述球形钎涂钎料粉末与高分子粘结剂进行混合得到合金膏体；

3）将空心金属浸泡在所述合金膏体中得到涂有合金膏体的空心金属；

4）将所述涂有合金膏体的空心金属进行干燥处理后，进行烧结步骤得到所述泡沫金属。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述钎涂钎料合金包括钎料，所述钎料为镍基钎料、无氧铜钎料、铜磷锡镍钎料、锌铝钎料中的一种。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述钎涂钎料还包括耐磨耐腐蚀粉末，所述耐磨耐腐蚀粉末与钎料的重量比1：1~9，所述耐磨耐腐蚀粉末为WC粉或立方氮化硼粉。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球形钎涂钎料粉末的粒径为-150目。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述空心金属为空心管、空心球或空心金属切屑。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述干燥处理为将所述涂有合金膏体的空心金属在40~90℃下烘干或者自然晾干。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述涂有合金膏体的空心金属表面膏体厚度为0.05~0.2mm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结步骤为将经过干燥处理的涂有膏体的空心金属在氨分解气氛保护下或者在真空下，以430~1100℃温度烧结5min~20min。

9.一种由权利要求1至8任一项所述的制备方法制备而成的泡沫金属。