CN103834829B - 一种制备可控长深通孔金属材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料制备和加工领域，涉及一种可控长深通孔金属材料制备方法。本方法提及的长深通孔金属材料制备方法包括纤维的选择及预制体的制备、金属材料的熔炼浇注。本发明的优越性在于解决了长深通孔材料孔径、孔的深度、分布不可控的问题，可根据需要，制备出位置、孔隙度、孔径、深径比等均可控的长深通孔金属材料。制备出的长深通孔直径：0.01mm—10mm，深径比：1—500。本发明涉及的长深通孔金属材料的制备过程简单，成本低，易于实现工业化。

Description

一种制备可控长深通孔金属材料的方法

技术领域

本发明涉及一种可控长深通孔金属多孔材料的制备方法，属于材料制备和加工领域。

背景技术

金属多孔材料是80年代后期国际上迅速发展起来的一种具有优异的物理特性和良好的机械性能的新型工程材料，它具备多种优异物理性能，如比重小、刚度大、比表面大、减震性能好、消声效果好、电磁屏蔽性能高等，使其在一些高技术领域获得了广泛应用。对于通孔金属材料，还具有导热率高、气体渗透率高、换热散热能力高等优点。金属泡沫材料既可作为许多场合的功能材料，也可作为某些场合的结构材料，是一种性能优异的多用工程材料。

金属多孔材料的制造方法很多，包括气体吹入法、固体发泡剂法和金属／气体共晶定向凝固法、熔模铸造法、渗流铸造法、喷射沉积法以及粉末加压熔化法等制备方法，其中金属／气体共晶定向凝固法利用共晶反应中氢气气泡上浮可通孔多孔材料，但其孔径尺寸、孔的分布不可控，且仅能用于制造纯Cu、Mg等为数不多的金属通孔多孔材料。而目前制造通孔金属材料的技术有电火花和激光法，但是这两种技术对制造孔的深度有一定限制，应用前景受到一定限制。

发明内容

发明目的：本发明提供一种可控长深通孔金属材料的制备方法，其目的是解决现有的工艺在深度方面受到一定限制、且孔径尺寸、孔的分布不可控，仅能用于制造纯Cu、Mg等为数不多的金属通孔材料等方面存在的问题。

技术方案：本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

（1）、选取需要加工的金属基体材料；

（2）、选取与该金属基体材料浸润性差的纤维材料，要满足该纤维材料与金属基体材料的浸润角大于90°的要求；

（3）、按需要制备孔径的大小，将纤维材料丝束编制成预制体；

（4）、将金属基体材料熔化；

（5）、按照需制备的孔径位置、多少及长短参数，将编制的预制体与熔化的金属基体材料在砂型或金属型腔中凝固；

（6）、凝固成型后，去除金属基体材料内的预制体，制备出可控的长深通孔金属材料。

金属基体材料包括Al，铝合金,Ag，Sn，Pb，Mg，Cu，Ni，Fe+5%C，Fe+4.3%C，Ni+2.3%C，Co+2.7%C，含3.5%C1、14%Si、0.57%Mn、0.03%S、0.03%P的生铁、含3.3%C、2%Si、0.75%P、1%Mn、0.053%S的生铁、球墨铸铁金属材料中的一种。

选取的纤维材料为碳纤维。

选取的碳纤维为标准规格的1k、3k、24K、64K，也可为上述丝束的组合或拆分，选取的碳纤维无需电镀、化学镀处理，满足其与金属基体材料的浸润角大于90°的性能即可。

将编制的预制体与熔化的金属基体材料在型腔中凝固，可以是：先将预制体放入型腔中，将熔化的金属基体材料浇入型腔中凝固；或者采用先将金属基体材料注入型腔内，再将预制体至于注入熔化的金属基体材料的型腔中凝固。

采用的方法可以为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造等各种铸造方法。

编制的预制体中，纤维材料的编制方向可以为竖直、水平方向，也可介于竖直、水平之间的任何角度。

碳纤维的预制体可以采用手工编制或机械编制。

选取熔点高于金属基体材料的金属丝，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面，制成金属丝-碳纤维预制体。

选取不同直径的陶瓷管，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面，制成陶瓷管-碳纤维预制体

去除金属基体材料内的碳纤维预制体，可以直接抽出，也可采用将其加热氧化，使碳纤维与氧气化合生成二氧化碳气体，去除碳纤维。

去除金属基体材料内的预制体，采用将其一端通入高压气体或高压液体，利用压力作用使预制体从金属基体材料中去除，制备出可控的长深通孔的材料。

优点及效果：针对目前制孔技术存在的缺陷或不足，本发明旨在提供一种可控长深通孔金属材料的制备方法，该方法制备出的长深通孔金属材料可选择的基体材料范围极广，本发明涉及的可控长深通孔金属材料的制备过程简单，可根据需要，制备出位置、孔隙度、孔径、深径比等可控的长深通孔金属多孔材料。本发明中的一种可控长深通孔金属材料的制备方法，制备出的长深通孔金属多孔材料直径：0.01mm—10mm，深径比：1—500。通过碳纤维与金属的浸润性差(浸润角＞90°）、高强度以及高的的比模量等特点，从而采用与碳纤维浸润角＞90°的金属材料均可选为基体材料，所以所用的基体材料广泛，原材供应渠道广，为本发明产品工业化生产、广泛推广应用提供了有利条件。根据碳纤维预制体、金属丝-碳纤维预制体与陶瓷管-碳纤维预制体制备的可控性，可以根据孔的位置、孔隙度、孔径、孔的深度的不同要求进行制备，从而所制得的长深通孔金属材料基体材料形状、尺寸以及内部深通孔的孔径及孔的走向均可控制，适用范围极广。可见该方法工艺十分简单，在生产过程中无污染、无三废，不造成对环境的危害。

具体实施方式

本发明的总体技术思路是：基于纤维与金属的浸润性差(浸润角＞90°），从而选取的碳纤维无需电镀、化学镀处理，碳纤维便可达到与基体金属不浸润的要求。根据孔尺寸的的不同要求选取标准规格的1k、3k、24k、64k的碳纤维，也可为上述丝束的组合进行组合或拆分。预制体采用手工编制或者机器编制成。编制的碳纤维预制体中碳纤维的分布可均匀、也可非均匀；碳纤维丝束的尺寸可相同、也可不同；碳纤维的编制方向可竖直、水平，也可介于竖直、水平之间的任何角度。将编制的预制体与熔融金属液在型腔中凝固，提及的型腔可以使砂型，也可以是金属型；采用的方法可以为重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造等各种铸造方法。将编制的预制体与金属液在型腔中凝固可采用先将金属液注入型腔内，再将预制体至于注入金属液的型腔中凝固。待凝固成型后可以将预制体中的碳纤维直接抽出；也可以将其加热氧化，使碳纤维与氧气化合生成二氧化碳气体，在进行去除；也可以将其一端通入高压气体或高压液体，利用压力作用使碳纤维从金属中去除，制备出长深通孔金属材料。

下面通过具体实施例加以说明：（本发明的技术方案不仅限于实施例）。

一种长深通孔金属材料的制备方法，按如下步骤进行：

选用金属基体材料：按所需要选用一定成分的金属材料，即与碳纤维浸润性差的金属或合金，即浸润角> 90°,包括：Al、铝合金,Ag、Sn、Pb、Mg、Cu、Ni、Fe+5%C、Fe+4.3%C、Ni+2.3%C、Co+2.7%C、生铁（3.5%C1.14%Si,0.57%Mn,0.03%S,0.03%P）、生铁(3.3%C,2%Si,0.75%P,1%Mn,0.053%S)、球墨铸铁等金属材料；

(1)选用碳纤维：根据孔尺寸的的不同要求选取标准规格的1k、3k、24k、64k的碳纤维，也可为上述丝束的组合进行组合或拆分；

(2)碳纤维预制体的制备：将选取的碳纤维采用手工编制或者机器编制成预制体，编制的碳纤维预制体中碳纤维的分布可均匀、也可非均匀；碳纤维丝束的尺寸可相同、也可不同；碳纤维的编制方向可竖直、水平，也可介于竖直、水平之间的任何角度；

(3)金属丝-碳纤维预制体的制备：选取熔点高于金属基体材料的金属丝，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面；

(4)陶瓷管-碳纤维预制体的制备：选取不同直径的陶瓷管，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面；

(5)造型：根据所需的制品进行造型，可以采取砂型铸造，也可以选取金属型；

(6)熔炼：用电炉熔炼金属基体材料成液态，根据所选材料不同可选择重力铸造、压力铸造、低压铸造、消失模铸造等不同的铸造工艺方法；

(7)装模：根据制造的长深通孔金属材料的具体要求选取碳纤维预制体或者金属丝-碳纤维预制体，或者陶瓷管-碳纤维预制体。将预制体装配入所造之型中，也可以待金属液至于型腔中后再将预制体至于其中；

(8)浇注：将熔炼后的金属液注入造型中；

(9)出孔：当材料凝固后，可以将碳纤维直接抽出；也可以将碳纤维加热氧化，使碳纤维与氧气化合生成二氧化碳气体，去除碳纤维或者金属丝；也可以将其一端通入高压气体或高压液体，利用压力作用使其从金属中去除，制备出长深通孔金属材料。

通过胶着的方式是利用胶粘剂进行粘合，将散状的碳纤维均匀粘接在金属丝、陶瓷管表面，如胶水、玻璃水等。

本发明的优越性在于解决了长深通孔金属材料孔径、孔深、分布不可控的问题，可根据需要，制备出位置、孔隙度、孔径、深径比等均可控的长深通孔金属材料。制备出的长深通孔金属材料孔直径：0.01mm—10mm，深径比：1—500。本发明涉及的可控长深通孔金属材料的制备过程简单，成本低，易于实现工业化。

Claims (8)

1.一种制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：该方法按以下步骤进行：

（1）、选取需要加工的金属基体材料；

（2）、选取与该金属基体材料浸润性差的纤维材料，要满足该纤维材料与金属基体材料的浸润角大于90°的要求；

（3）、按需要制备孔径的大小，将纤维材料丝束制成预制体；

（4）、将金属基体材料熔化；

（5）、按照需制备的孔径位置、多少及长短参数，将制备的预制体与熔化的金属基体材料在砂型或金属型腔中凝固；

（6）、凝固成型后，去除金属基体材料内的预制体，制备出可控的长深通孔金属材料；

所述的预制体包括碳纤维预制体、金属丝-碳纤维预制体、陶瓷管-碳纤维预制体；

制备出长深通孔金属多孔材料的深径比：1—500。

2.根据权利要求1所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：金属基体材料包括Al，铝合金,Ag，Sn，Pb，Mg，Cu，Ni，Fe+5%C，Fe+4.3%C，Ni+2.3%C，Co+2.7%C，含3.5%C、1.14%Si、0.57%Mn、0.03%S、0.03%P的生铁、含3.3%C、2%Si、0.75%P、1%Mn、0.053%S的生铁、球墨铸铁金属材料中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：选取的碳纤维为标准规格的1k、3k、24K、64K，为上述丝束的组合或拆分，选取的碳纤维无需电镀、化学镀处理，满足其与金属基体材料的浸润角大于90°的性能即可。

4.根据权利要求3所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：编制的碳纤维预制体中，纤维材料的编制方向为竖直、水平方向，或介于竖直、水平之间的任何角度。

5.根据权利要求3所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：选取熔点高于金属基体材料的金属丝，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面，制成金属丝-碳纤维预制体。

6.根据权利要求3所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：选取不同直径的陶瓷管，将碳纤维通过胶着的形式完全均匀覆盖其表面，制成陶瓷管-碳纤维预制体。

7.根据权利要求1所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：将编制的预制体与熔化的金属基体材料在型腔中凝固，为：先将预制体放入型腔中，将熔化的金属基体材料浇入型腔中凝固；或者采用先将金属基体材料注入型腔内，再将预制体至于注入熔化的金属基体材料的型腔中凝固。

8.根据权利要求1所述的制备可控长深通孔金属材料的方法，其特征在于：去除金属基体材料内的预制体，采用将其一端通入高压气体或高压液体，利用压力作用使预制体从金属基体材料中去除，制备出可控的长深通孔的材料。