CN107321981A - 一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的新工艺，属于多孔金属材料的制备领域。该工艺以碳酸钙的混合物为发泡剂，铜、镁金属粉末为原材料，通过镁与碳酸钙两者之间反应生成的气体来发泡。该工艺具体步骤为：将铜粉、镁粉和碳酸钙的混合粉末冷压成块后在200℃‑475℃进行合金化处理1‑24h，随后在200℃‑475℃下热压10min‑60min形成预制体，在550℃‑700℃下焙烧发泡，最后冷却可制得孔隙率为40%‑80%，孔径为0.1mm‑4.0mm的具有闭孔孔结构的泡沫铜合金。本发明基体成份可调，成品具有三明治结构，即内部为多孔结构而外部为致密层，且可应用于制备复杂形状的零件，具有广阔的应用前景。

Description

一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法
技术领域
本发明属于多孔金属材料的制备领域，具体涉及一种闭孔泡沫铜基材料的制备方法。
背景技术
多孔金属材料是20世纪发展起来的崭新材料体系，已经成为当前材料界的一种新型的结构与功能材料。相对于致密材料而言，多孔金属材料由于孔结构的存在而具有一些独特的性能，如密度小、比强度和比刚度高，阻尼性能、能量吸收性能、吸声、隔声和隔热性能好、生物兼容性能好及多功能兼容性能优异，已经广泛用于航天航空、化工、建材、冶金等领域。粉末冶金法是制备具有闭孔孔结构泡沫金属的主要方法之一，该种制备方法的优点是基体金属成份可调，能制备异形件，且是一种近净成型方法，简化制备工艺的同时减少了材料的耗损。目前为止，用粉末冶金法制备闭孔泡沫金属主要集中在泡沫铝基材料，泡沫镁基材料和泡沫锌基材料，已有的用粉末冶金法制备的泡沫铜的孔结构是通孔孔结构，而对制备闭孔孔结构泡沫铜基材料的报道尚不多见。
用粉末冶金法制备闭孔孔结构的泡沫金属时，使得金属泡沫化的气体来自于发泡剂分解产生的气体，并且发泡剂分解产气的温度应与基体金属的熔点相当，如，在制备泡沫铝时，选用氢化钛作为发泡剂。铜具有良好的导热性能，具有比铝优异的力学性能，但由于铜的熔点为1080℃，迄今为止，尚未找到合适的发泡剂能在此温度左右分解产生气体，因此，还未见用粉末冶金法制备闭孔孔结构的泡沫铜的报道。
发明内容
解决的技术问题：本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种成本较低、工艺相对简单的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的工艺。
技术方案：一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，包括以下步骤：
步骤1，混粉：将铜粉、镁粉和碳酸钙粉混合，得到混合粉末；
步骤2，压块：将步骤1所得混合粉末冷压成块，先在200℃-450℃下对试块进行合金化处理，再在200℃-450℃下热压制成预制体；
步骤3，发泡：将步骤2所得预制体放入预热温度为550℃-700℃的电阻炉中焙烧完成发泡；
步骤4，冷却：将步骤3发泡后的试样冷却，得到闭孔泡沫铜基材料。
进一步地，所述铜粉和镁粉的质量比为1:1-9:1。
进一步地，所述碳酸钙粉的用量为铜粉和镁粉总质量的2％-15％。
进一步地，步骤2中合金化处理时间为1h-24h。
进一步地，步骤2中热压时间为10min-60min。
进一步地，步骤3中发泡时间为2min-10min。
进一步地，步骤3中电阻炉内通有保护气体。
上述方法制得的闭孔泡沫铜基材料，其孔隙率为40.0％-80.0％，孔径为0.1mm-4.0mm。
有益效果：(1)与传统发泡工艺相比，本发明采用粉末冶金法，可一次近净成形异形件，克服了传统铸造法因发泡熔体粘度过大而不易充型的缺点。
(2)本发明制备的泡沫铜基材料具有整体式的三明治结构，即芯部多孔，外部致密，相较于单纯的泡沫铜材料具有较好的力学性能，且比需要通过焊接或胶粘等手段连接制成的泡沫三明治板具有更好的性能稳定性。
(3)本发明制备的泡沫铜基材料具有闭孔孔结构，其性能具有各项同性。
附图说明
图1为本发明工艺流程示意图。
图2为实施例1的闭孔泡沫铜基试样(铜镁质量比5:5，2wt.％CaCO3，孔隙率为60％)的截面图；
图3为实施例2的闭孔泡沫铜基试样(铜镁质量比6:4，5wt.％CaCO3，孔隙率为65％)的截面图；
图4为实施例3的闭孔泡沫铜基试样(铜镁质量比7:3，3wt.％CaCO3，孔隙率为68％)的截面图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。但本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
本发明提供了一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，以碳酸钙为发泡剂，铜、镁金属粉末为原材料，通过镁和碳酸钙两者之间反应生成的气体来发泡，可制备得到具有闭孔孔结构的泡沫铜基材料。具体地，先将铜粉、镁粉以及碳酸钙粉混合均匀，然后取混合粉末冷压成块，在200℃-450℃下对试块进行合金化处理使得试块中形成低熔点的铜镁金属化合物，合金化处理时间为1h-24h，合金化处理完毕后再将试块在200℃-450℃下热压10min-60min以提高可发泡预制体的紧实度，制成可发泡预制体，最后将可发泡预制体焙烧发泡及冷却。
以往使得预制体泡沫化的气体是来自于发泡剂自身的分解，如用粉末冶金法制备泡沫铝时，采用的发泡剂是氢化钛，氢化钛在铝熔点附近分解产气，从而使得铝泡沫化。本发明利用高温下Mg熔体与CaCO3发生化学反应：Mg(l)+CaCO3(s)→MgO(s)+CaO(s)+CO(g)所产生的气体来实现预制体发泡。同时，由于高温下镁在CO2气体中会燃烧导致实验的失败，所以必须将粉末充分混合均匀并通过合金化处理形成具有低熔点的含镁金属中间化合物，以避免CaCO3分解产生CO2导致发泡失败。
实施例1
将质量比为1:1的铜粉和镁粉以及铜粉和镁粉质量的2％的碳酸钙粉混合均匀；称量一定质量的混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在450℃下进行合金化处理6小时；将经过合金化处理的压块在300℃、350MPa下热压20min制成预制体，此时预制体的紧实度为99.5％；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为680℃且通有保护气体的电阻炉中保温发泡5min，取出发泡块体空冷，可获得孔径为1-2.5mm、孔隙率为60％、孔结构均匀的泡沫铜基材料，如图2所示。
实施例2
将质量比为6:4的铜粉和镁粉以及铜粉和镁粉质量的5％的碳酸钙粉混合均匀；称量一定质量的混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在400℃下进行合金化处理12小时；将经过合金化处理的压块在400℃、300MPa下热压40min制成预制体，此时紧实度为99.6％；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为700℃且通有保护气体的电阻炉中保温发泡3min，取出发泡块体空冷，可获得孔径为2-3mm、孔隙率为65％、孔结构均匀的泡沫铜基材料，如图3所示。
实施例3
将质量比为7:3的铜粉和镁粉以及铜粉和镁粉质量的3％的碳酸钙粉混合均匀；称量一定质量的混合粉末倒入压制模具中冷压成块；将压块在475℃下进行合金化处理4小时；将经过合金化处理的压块在450℃、350MPa下热压10min制成预制体，此时紧实度为99.8％；对预制体进行表面清理，随后放入预热温度为680℃且通有保护气体的电阻炉中保温发泡4min，取出发泡块体空冷，可获得孔径为2-4mm、孔隙率为68％、孔结构均匀的泡沫铜基材料，如图4所示。

Claims (8)

1.一种粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，混粉：将铜粉、镁粉和碳酸钙粉混合，得到混合粉末；
步骤2，压块：将步骤1所得混合粉末冷压成块，先在200℃-475℃下对试块进行合金化处理，再在200℃-450℃下热压制成预制体；
步骤3，发泡：将步骤2所得预制体放入预热温度为550℃-700℃的电阻炉中焙烧完成发泡；
步骤4，冷却：将步骤3发泡后的试样冷却，得到闭孔泡沫铜基材料。
2.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：所述铜粉和镁粉的质量比为1:1-9:1。
3.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：所述碳酸钙粉的用量为铜粉和镁粉总质量的2%-15%。
4.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：步骤2中合金化处理时间为1-24h。
5.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：步骤2中热压时间为10-60min。
6.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：步骤3中发泡时间为2-10min。
7.根据权利要求1所述的粉末冶金法制备闭孔泡沫铜基材料的方法，其特征在于：步骤3中电阻炉内通有保护气体。
8.权利要求1至7任一项所述方法制得的闭孔泡沫铜基材料，其特征在于：其孔隙率为40.0%-80.0%，孔径为0.1mm-4.0mm。
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