CN104099539A - 一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，首先，将金属长纤维丝材进行编织，形成编织体，所述编织体外形最小特征尺寸大于金属长纤维丝材横截面最大几何特征尺寸的5倍，且当金属长纤维丝材横截面为圆形时，编织体外形最小特征尺寸大于5倍丝径；其次，对编织体进行冶金结合工艺，使丝材之间接触的地方实现冶金结合，而丝材之间没有接触的地方则构成了孔隙，且孔隙沿丝材轨迹方向分布；最终便可制造获得所需的长纤维多孔隙金属材料。本发明方法制造的长纤维多孔隙金属材料，长纤维是连续的，具有丝材高的力学性能、高的疲劳强度和抗冲击性能，同时具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成承力和构成结构形状的机械零件。

Description

一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法

技术领域

本发明涉及多孔隙材料制造的技术领域，尤其是指一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法。

背景技术

铸造模具注入熔融金属时气体物质或空气不能从铸模内排出，就会产生熔融金属流动性不佳及在铸件中形成气体缺陷等问题。塑料注射成型过程中，必须将模腔中的空气、聚合物中析出的气体以及塑料原料和脱模剂中挥发出的水蒸气完全彻底地排除干净，如果模腔中的气体不能顺利排除，则会造成充不满、制品产生熔接痕迹、裂纹、黑斑等表面质量缺陷。为了避免这些问题，在铸模、塑料模具上设计通气孔或排气系统。但是，不可能在铸模、塑料模具所有需要排气的部分设置排气孔，时常会出现模具中气体不能顺利排出，造成成型的产品质量问题。

日本专利第6-33112号公开了一种生产多孔模具材料的方法，这种方法包括：压缩金属粉末混合物以形成压实体，混合物包括主要由低C和低N-Cr不锈钢颗粒构成的80％重量的粉末和20％重量的不锈钢短纤维，这种不锈钢短纤维的直径为20至100微米，长度为0.4至3.0mm，再将压实体烧结成烧结体，在氮气气氛中加热形成氮化体，并将氮化体以5.5℃/分钟或更大的平均冷却速率迅速冷却至250℃或更低的温度，在500至650℃的温度再热冷却的氮化体。公开(公告)号：CN1153688新东工业株式会社申请号为96112336.2用于铸造的多孔模具材料及其生产方法，使用主要含有铁素体不锈钢颗粒的粉末与不锈钢短纤维的混合物，经过加压、烧结、喷射氮气处理及冷却及再次加热制成的，多孔模具材料含有20至50微米范围的孔，孔隙率为25至35％。申请号为2006100370076中国发明专利一种自透气性金属模具的制造方法，对金属粉末进行粒度分级，为了提高透气性不锈钢金属块体材料的强韧性，在不锈钢粉末中加入不锈钢短纤维粉末，不锈钢短纤维粉末添加量约为5％～30％。压制金属粉末块体生坯，然后将金属粉末块体生坯烧结获得透气性金属块体，通过机械加工方法或电加工方法将透气性金属块体制造成透气性金属模具型腔零件，将透气性金属模具型腔零件与成型模具的其它零件组合构成成型模具。采用粉末冶金透气钢自身具有连通的微孔隙，气体可以直接从模具材料中透出，具有理想的排气功能，模具上不必再设置通气孔和排气系统，因此带来许多技术效果，如改善熔融金属在模腔中的流动性及减少气体缺陷等。但金属粉末烧结多孔材料的缺点是：材质不连续，粉和粉之间的烧结界面是材料的薄弱环节，材质较脆、抗冲击性能差，不耐腐蚀、使用寿命短，制造工艺复杂、成本很高。

金属丝材的生产方法有单丝拉拔法、集束拉拔法、切削法、熔抽法等，纤维直径可达1～2μm，强度高达1200～1800MPa，因而具有较高的抗拉强度和高的疲劳强度，用来制造钢丝绳和桥梁拉索及琴弦等。但丝材直径较小容易弯曲变形，编成绳后也不具有刚度，仍容易弯曲变形，无法制造成结构零件。有的将金属纤维编织作为复合材料的增强体，有的将金属纤维切断加入到粉末材料和复合材料中提高材料的强度和抗冲击性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提供一种具有高力学性能和高疲劳强度性能的长纤维多孔隙金属材料的制造方法。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，首先，将金属长纤维丝材进行编织，形成编织体，所述编织体外形最小特征尺寸大于金属长纤维丝材横截面最大几何特征尺寸的5倍，且当金属长纤维丝材横截面为圆形时，编织体外形最小特征尺寸大于5倍丝径；其次，对编织体进行冶金结合工艺，使丝材之间接触的地方实现冶金结合，而丝材之间没有接触的地方则构成了孔隙，且孔隙沿丝材轨迹方向分布；最终便可制造获得所需的长纤维多孔隙金属材料。

当需要获得小孔隙尺寸的多孔隙金属材料时，可对编织体进行金属塑性压力加工，压缩一下编织体，使编织体内孔隙尺寸减小，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得小孔隙尺寸的长纤维多孔隙金属材料。

所述冶金结合可通过加热烧结实现。

所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性压力加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

将金属长纤维丝材进行紧密编织之前，可先对其进行表面处理，使丝材表面生成表面膜。

所述编织体为绳索、管、型材、板状或块状。

所述塑性压力加工有锻压、挤压、拉拔或轧制。

所述长纤维多孔隙金属材料为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料。

所述表面处理有渗氮、渗碳、镀铬、镀镍或镀锌。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、由于材料是纤维编织获得，纤维相互约束，互相制约；

2、本发明方法制造的长纤维多孔隙金属材料，长纤维是连续的，具有丝材高的力学性能、高的疲劳强度和抗冲击性能，同时具有常规体积材料的刚度，可以像普通金属材料一样加工成承力和构成结构形状的机械零件，如加工成汽车连杆轴类件、齿轮运动传递件、弹簧、底盘、板料冲压成形件等，又由于材料含微孔隙，密度相对于同材质的无孔隙材料小，可以实现机械结构的轻量化；

3、采用的丝材直径相同时，编织烧结后形成的材料孔隙均匀；

4、通过表面处理附着在丝材表面的物质随着丝材均匀地分布到制备的材料中，可以提高材料的力学性能；

5、对丝材进行表面处理后，表面膜完整地包覆在丝材的表面，编织烧结之后丝材的表面膜随丝材均匀地分布到了制备的新材料之中，制备出的长纤维多孔隙金属材料的每一根纤维都受到表面膜的保护，金属体积材料抗腐蚀性能得到大幅提高；

6、易于控制孔隙的最终尺寸大小，及孔隙尺寸的分布；

7、制得的孔隙沿纤维编织方向分布，气体透过阻力小，透气快，采用钢丝作为金属长纤维丝材，可制造获得透气模具钢；

8、工艺简单操作方便，易于制造大尺寸的多孔隙材料，效率高，成本低。

具体实施方式

下面结合多个具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本发明所述长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其情况为：首先，将金属长纤维丝材进行编织，形成编织体(可以编织为绳索、管、型材、板状或块状等)，所述编织体外形最小特征尺寸大于金属长纤维丝材横截面最大几何特征尺寸的5倍，且当金属长纤维丝材横截面为圆形时，编织体外形最小特征尺寸大于5倍丝径；其次，对编织体进行冶金结合工艺(可通过加热烧结实现)，使丝材之间接触的地方实现冶金结合，而丝材之间没有接触的地方则构成了孔隙，且孔隙沿丝材轨迹方向分布；最终便可制造获得所需的长纤维多孔隙金属材料(可以为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料)。当需要获得小孔隙尺寸的多孔隙金属材料时，可对编织体进行金属塑性压力加工(当被加工材料达到需要的孔隙尺寸大小时停止塑性压力加工，所述塑性压力加工有锻压、挤压、拉拔或轧制等)，压缩一下编织体，使编织体内孔隙尺寸减小，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得小孔隙尺寸的长纤维多孔隙金属材料，其中，所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属，在室温条件下进行冷塑性加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

而在本实施例中，是采用直径35微米的H13钢丝材100根作为一束，通过编绳机将多束丝材编织成直径300毫米的粗绳索，然后将编织好的直径300毫米的粗绳索置于真空加热炉中烧结，加热达到1250摄氏度保温两小时，使丝材之间实现冶金结合，制造获得具有长纤维多孔隙的H13钢棒材。

实施例2

与实施例1不同的是本实施例将实施例1制造获得具有长纤维多孔隙的不锈钢棒材在室温条件下进行冷锻，使材料的直径减小10％，提高材料的密度，减小孔隙的尺寸。

实施例3

与实施例1不同的是本实施例H13钢丝材经过退火软化处理，编织成直径300毫米的粗绳索后进行锻压，然后置于真空加热炉中烧结。

实施例4

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为纯铜，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到810摄氏度保温两小时。

实施例5

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为铝青铜，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到880摄氏度保温两小时。

实施例6

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为纯铝，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到530摄氏度保温两小时。

实施例7

与实施例1不同的是本实施例的金属丝材为铝合金，实现冶金结合时是在真空加热炉中加热达到550摄氏度保温两小时。

实施例8

与实施例1不同的是本实施例在真空加热炉中烧结时进行热压。

实施例9

与实施例1不同的是本实施例所述金属丝材为不锈钢丝材。

实施例10

与实施例1不同的是本实施例所述金属丝材为轴承钢丝材。

实施例11

与实施例1不同的是本实施例采用的丝材直径为2000微米。

实施例12

与实施例1不同的是本实施例将实施例1中制造获得的棒材打扁轧制成厚度为1毫米的板材。

实施例13

与实施例1不同的是本实施例将实施例1中编织获得的直径300毫米粗绳索，切割成长度为500毫米的圆柱体，加热达到1250摄氏度，再将热的圆柱体置于挤压筒中，从芯杆直径为50毫米、出口直径为290毫米的管子挤压模具中挤过，制造获得外径为290毫米、孔径为50毫米、璧厚为120毫米的管材，由于挤压变形小，材料内的孔隙不会完全消除，获得的管材材料含有微小孔隙。

实施例14

与实施例1不同的是本实施例采用直径100微米的20钢丝材，编织成长2000毫米、宽500毫米、厚5毫米的编织板体，再将编织板体加热达到金属丝材的热塑性加工温度1050摄氏度，然后将热的编织板材料置于板材轧制机的轧辊之间进行轧制加工，控制轧制变形量，从而控制材料内孔隙尺寸大小，再烧结使丝材之间实现冶金结合，制造获得具有长纤维多孔隙金属板，用于制造汽车的覆盖件。

实施例15

与实施例1不同的是本实施例采用直径100微米的20钢丝材，编织成长1000毫米、宽500毫米、高150毫米的编织体，再将编织块体加热达到金属丝材的热塑性加工温度1210摄氏度，然后将热的编织块体材料置于锻造设备的锻模之间进行锻压加工，控制锻压变形量，当材料内孔隙尺寸达到10至20微米时停止锻压，再烧结使丝材之间实现冶金结合，制造获得具有长纤维多孔隙金属块体，用于制造成透气模具，应用于铸造和塑料成型。

实施例16

与实施例15不同的是本实施例所述的金属丝材在进行编织前，先经过渗氮表面处理，丝材表面生成氮化表面膜，具有氮化表面膜层的金属丝材紧密编织制造成具有长纤维多孔隙的金属材料。

实施例17

与实施例16不同的是本实施例所述的金属丝材经过渗碳表面处理，丝材表面生成碳化表面膜。

实施例18

与实施例16不同的是本实施例所述的金属丝材经过碳氮共渗表面处理。

实施例19

与实施例16不同的是本实施例所述的金属丝材经过镀镍表面处理。

实施例20

与实施例16不同的是本实施例所述的金属丝材经过镀镍之后再镀铬。

实施例21

与实施例1不同的是本实施例采用直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材，通过编绳机编织成直径1毫米的绳索，再将直径1毫米的绳索编织成直径30毫米绳索，将直径30毫米绳索加热达到1150摄氏度，然后将30毫米绳索从出口直径为28毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，丝材之间的孔隙尺寸减小，最后通过对绳索进行加热烧结，实现丝材之间的冶金结合，制造获得直径为28毫米长纤维多孔隙不锈钢线材。

实施例22

与实施例21不同的是本实施例将直径30毫米的1Cr18Ni9不锈钢绳索置于璧厚为5毫米的20钢管中进行包覆冷拉拔。

实施例23

与实施例21不同的是本实施例采用直径100微米的铝青铜丝材20根作为一束，通过编绳机将多束编织成直径为100毫米的绳，再将直径为100毫米的绳加热达到铝青铜丝材的热塑性加工温度850摄氏度，然后将100毫米绳索从出口直径为90毫米的拉拔模具中拉过，使绳索的外径减小，构成绳索的丝材之间的孔隙尺寸减小，再烧结使丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为90毫米具有长纤维多孔隙铝青铜线材。

实施例24

与实施例21不同的是本实施例将直径50微米的1Cr18Ni9退火软化处理的不锈钢丝材编织成管，再从浮动芯模管子拉拔装置中进行冷拉拔，制造获得材料含微孔隙的无缝钢管。

实施例25

与实施例21不同的是本实施例将直径50微米的1Cr18Ni9退火软化处理的不锈钢丝材编织成工字型材，再从工字型材拉拔模具中进行冷拉拔，制造获得材料含微孔隙的工字型材。

实施例26

与实施例1不同的是本实施例采用直径35微米的1Cr18Ni9不锈钢丝材100根作为一束，通过编绳机将多束丝材编织成直径200毫米粗绳索，再切割成长度为300毫米的圆柱体，加热达到1250摄氏度，再将热的圆柱体置于挤压筒中，从出口直径为96毫米的挤压模具中挤过，使材料的外径减小，丝材之间的孔隙尺寸减小，再烧结使丝材之间实现冶金结合，制造获得直径为96毫米具有长纤维多孔隙不锈钢棒材。

综上所述，本发明方法的原理是：当把多根丝材编织在一起达到一定的尺寸，就形成一定尺寸大小的编织体，进行冶金结合时，丝材之间接触的地方会冶金结合，丝材之间没有接触的地方就构成孔隙，而且孔隙是沿丝材轨迹方向排布的，因而丝材编织冶金结合后就制造获得多孔隙材料。塑性压力加工对材料进行了压缩，材料中的孔隙尺寸在压缩时会减小，控制压缩量就可以控制材料内孔隙尺寸的大小，使丝材之间实现冶金结合，就具有常规体积材料的刚度，当保持材料内的孔隙时，就可以制造出具有微孔隙的透气钢。由于丝材没有被切断，长纤维在制备的新材料中是连续的，因而具有丝材的高抗拉强度和高疲劳强度性能，可以像普通金属材料一样加工成机械零件或模具使用，比普通金属材料的力学性能更高、使用寿命更长，因而零件的安全可靠性得到了提高。又由于多孔隙金属材料含孔隙，密度低于同种材质致密材料的密度，达到机械设备轻量化的目的。

以上所述实施例子只为本发明较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：首先，将金属长纤维丝材进行编织，形成编织体，所述编织体外形最小特征尺寸大于金属长纤维丝材横截面最大几何特征尺寸的5倍，且当金属长纤维丝材横截面为圆形时，编织体外形最小特征尺寸大于5倍丝径；其次，对编织体进行冶金结合工艺，使丝材之间接触的地方实现冶金结合，而丝材之间没有接触的地方则构成了孔隙，且孔隙沿丝材轨迹方向分布；最终便可制造获得所需的长纤维多孔隙金属材料。

2.根据权利要求1所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：当需要获得小孔隙尺寸的多孔隙金属材料时，可对编织体进行金属塑性压力加工，压缩一下编织体，使编织体内孔隙尺寸减小，并使丝材之间实现冶金结合，最终便可制造获得小孔隙尺寸的长纤维多孔隙金属材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述冶金结合可通过加热烧结实现。

4.根据权利要求2所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述塑性压力加工对于室温条件下易于塑性变形的金属进行冷塑性压力加工；而对于室温条件下难于塑性变形的金属，则需在金属的热塑性加工温度范围内进行，即先对金属长纤维丝材编织而成的编织体进行加热，达到金属的热塑性加工温度后，再对编织体进行塑性压力加工。

5.根据权利要求1所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：将金属长纤维丝材进行紧密编织之前，可先对其进行表面处理，使丝材表面生成表面膜。

6.根据权利要求1所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述编织体为绳索、管、型材、板状或块状。

7.根据权利要求2所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述塑性压力加工有锻压、挤压、拉拔或轧制。

8.根据权利要求1所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述长纤维多孔隙金属材料为线材、棒材、管材、型材、板材或块体材料。

9.根据权利要求5所述的一种长纤维多孔隙金属材料的制造方法，其特征在于：所述表面处理有渗氮、渗碳、镀铬、镀镍或镀锌。