CN107574329B - 一种超重力渗流制备通孔泡沫金属的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种超重力渗流制备通孔泡沫金属的方法及装置，属于泡沫金属材料制备领域。本发明采用平均粒径0.1～5mm的可溶性盐颗粒为前驱体，以金属为渗流体。把烘干并筛分好的可溶性盐颗粒装入离心铸型中，在前驱体顶部固定一片多孔板。将预热完成的离心铸型组装在离心平台上，开启离心设备，并把预熔的金属液浇入离心设备的加料斗中，金属液在超重力的驱动下穿过多孔板渗流入前驱体的间隙中，按可溶性盐颗粒前驱体平均粒径由大到小控制该过程的超重力系数20‑180以上。金属凝固后拆卸离心铸型取出复合体并进行切削加工，用水将可溶性盐颗粒从复合体中溶解去除，得到通孔泡沫金属。本发明工艺简单，成本低廉，所制得泡沫铝合金结构均匀，大小适宜，力学性能优良。

Description

一种超重力渗流制备通孔泡沫金属的方法及装置

技术领域

本发明属于泡沫金属材料领域，具体地，本发明涉及一种采用超重力渗流技术制备通孔泡沫金属的方法及装置。

背景技术

通孔泡沫金属具有高比表面、高比强度、吸能、吸音、保温、隔热、过滤等特性，在建筑、轨道交通、机械制造、航空航天与能源催化等领域都有着巨大的应用潜力，已经成为了世界各国都竞相开发的一种新型材料。

目前通孔泡沫金属的制备方法主要有粉末冶金法、熔模铸造法和渗流铸造法等。粉末冶金法生产周期长、成本高，不适合生产一般工业用通孔泡沫金属；熔模铸造法通常选用三维贯通的泡沫海绵材料为母体，然后将石膏等材料充入海绵中、经干燥硬化形成预制型，再经过焙烧使泡沫海绵气化分解制得多孔石膏型模，然后将预制型模置于模具中再经过渗流方法铸造，从而获得三维贯通的通孔泡沫金属材料，但该法存在多孔石膏型模制作困难、渗流后石膏难脱除等问题。渗流铸造法由于工艺简单、操作方便，被认为是最具前景的一种生产泡沫金属的方法，但现行渗流铸造法存在以下不足：(1)为克服金属液表面张力引起的渗流阻力，在金属液渗流时通常需要较高的外部压力，如气压铸造或真空铸造，因此要求铸造设备精密复杂，从而增加了制造成本，降低了生产效率；(2)操作难度大，容易产生渗流不足、渗流过度等缺陷，且渗流结束时间难以确定；(3)在将金属液倒入模具时，填料粒子受到冲击，容易形成凹陷；(4)难制备出大尺寸渗流制品。

超重力技术是一种新兴的强化传质和分离的技术，原本因表面张力原因难以渗流到模板微小孔隙中的金属液，在超重力场巨大剪切力的作用下产生巨大和快速更新的相界面，从而使得金属液轻易的进入到模板微小孔隙中。超重力渗流技术不仅能够快速和高效地制备通孔泡沫金属，而且该技术在实验过程中具有设备简单，成本低，产品质量好，容易规模化生产等优势，是一种极具潜力的制备通孔泡沫金属的方法。

发明内容

本发明利用超重力作用克服金属液表面张力引起的渗流阻力，快速高效的制备通孔泡沫金属，从而达到降低通孔泡沫金属生产成本以及提高成品率的目的。本发明的目的在于提供上述工艺方法及关键装置。

如附图2所示，本发明中超重力渗流制备通孔泡沫金属的方法包括如下步骤：

1)渗流体的熔化：将作为渗流体的金属在电炉中熔化，如铝、镁、锌、铝合金、镁合金或锌合金，控制金属液温度为该金属熔点以上50～200℃；

2)前驱体的处理：将可溶性盐颗粒，在电炉中烘干并筛分，选取粒径0.1～5mm的可溶性盐颗粒作为制备通孔泡沫金属的前驱体，该可溶性盐颗粒为氯化钠或氯化钾或硫酸钠或硫酸钙为主要成分的工业盐颗粒或其两种或两种以上的混和物；

3)离心渗流前准备：将步骤2)处理完成的可溶性盐颗粒置于离心铸型中，加入量为离心铸型体积的2/3左右，在颗粒层的上表面固定一片孔径为0.5～2mm、厚度为10～50mm的多孔板，其材质可为陶瓷、石墨、不锈钢或普通钢材，之后将整个离心铸型置于电炉中预热，预热温度不超过可溶性盐颗粒的熔化温度；

4)泡沫金属离心制备：将两个或多个预热完成的重量相同或相近的离心铸型对称安装于超重力渗流装置离心平台的外侧，开启超重力渗流装置变频电机使离心平台转动，调节转速使前驱体超重力系数达到20-180以上，并把步骤1)预热完成的金属液浇入超重力渗流装置加料斗内，金属液在超重力的驱动下流经超重力渗流装置加料管并穿过多孔板渗流进入前驱体的间隙中，保持装置运行至金属液凝固，之后关闭超重力渗流装置变频电机，带装置停止后将离心铸型取下并拆解，得到复合体；之后可更换安装新的离心铸型进行下一批次不同孔径、不同材质泡沫金属的生产。

5)前驱体的去除：将步骤4)得到的复合体进行切削加工，用自来水将前驱体可溶性盐从复合体中溶解并去除，得到通孔泡沫金属；

泡沫金属离心制备时，根据前驱体粒径的不同需维持前驱体不同的超重力系数，当使用的可溶性盐颗粒平均粒径为0.1～0.4mm时，旋转离心超重力系数需大于180；可溶性盐颗粒平均粒径为0.4～1.0mm时，旋转离心超重力系数需大于50；可溶性盐颗粒平均粒径为1.0～2.0mm时，旋转离心超重力系数需大于30；可溶性盐颗粒平均粒径为2.0～5.0mm时，旋转离心超重力系数需大于20。

附图1为本发明的超重力渗流制备通孔泡沫金属的装置示意图，装置由离心铸型、给料系统、驱动平台组成，其装置设备特点为：

1.离心铸型用于装盛可溶性盐颗粒和多孔板，可溶性盐颗粒首先装入离心铸型中，多孔板置于可溶性盐颗粒顶部，并与离心铸型固定，一方面，因金属液和可溶性盐颗粒存在密度差，该多孔渗流板可以有效阻止渗流过程中可溶性盐颗粒与金属液分层问题；另一方面，该多孔渗流板可以有效减少金属液对可溶性盐颗粒造成的冲击，可以有效地保持产品形貌。

2.离心铸型本身可以拆卸组装，方便填料以及制得的复合体取出；装料完毕的离心铸型在电炉中加热，之后将两个或多个重量相同或相近的离心铸型对称安装固定于离心平台的外侧，以保持在离心时装置的平衡；离心铸型的外侧为耐火保温材料，以减小模具在渗流过程中的温降，离心铸型的壳体为钢材质，内表面涂覆耐火涂层，以避免壳体内表面与渗流金属的粘连，方便制得的复合体的取出。

3.给料系统由加料斗和加料管组成；加料斗和加料管联通，并固定在离心平台上；开起离心装置后，将熔化的金属液倒入加料斗中，金属液在离心力作用下流经加料管注入两边的离心铸型中；加料斗和加料管的壳体材质为钢材，内表面涂覆耐火涂层。

4.驱动平台由固定在低位地基平台上的钢结构支撑平台、离心平台和变频电机组成；支撑平台上部安装有环形轴承，离心平台坐落在支撑平台的环形轴承上；变频电机与离心平台底端转轴通过皮带或齿轮相连，改变变频电机转速可控制离心平台的旋转速度及超重力系数；变频电机工作时，离心平台与安装在上面的离心铸型、加料斗和加料管同时旋转。

本发明工艺简单，成本低廉，可实现不同孔径、不同材质泡沫金属的半连续化生产；所制得泡沫铝合金结构均匀，大小适宜，力学性能优良。

附图说明

图1为超重力渗流装置示意图。

图标号：1.离心铸型，2.可溶性盐颗粒，3.多孔板，4.离心平台，5.加料斗，6.加料管，7.环形轴承，8.支撑平台，9.转轴，10.齿轮，11.变频电机，12.低位地基平台

图2为超重力渗流制备通孔泡沫金属流程图。

图3为具体实施例1的样品宏观与微观形貌。

图4为具体实施例2的样品宏观与微观形貌。

具体实施方式：

实施例1

将重量110kg、平均粒径1mm的氯化钠颗粒分别装入两个长宽高均为0.5m的立方体离心铸型中，顶部各固定一层5mm厚的市售多孔陶瓷板，用电炉将离心铸型预热到500℃；

将重量190kg的Al6061铝合金熔化，并保持温度在750℃左右；

之后将两个离心铸型对称安装固定于直径2m的离心平台上，开启离心设备，调节转速使前驱体超重力系数达到50以上，之后把铝合金液浇入离心设备的加料斗内，铝合金液在离心压力的作用下穿过加料管透过多孔陶瓷板渗入前驱体的间隙中，离心10min待合金液凝固后停止离心机转动，将离心铸型取下并拆解，得到复合体。

将得到的复合体进行切削加工，用水将前驱体氯化钠颗粒从复合体中溶解去除，得到通孔泡沫铝合金。

实施例2

将重量140kg、平均粒径0.2mm的硫酸钠颗粒分别装入4个宽高为0.5×0.5×0.7m的长方体离心铸型中，顶部各放置一层2mm厚的多孔不锈钢板，用电炉将离心铸型预热到600℃左右；

将重量400kg的ZA-8锌合金熔化，并保持在580℃左右；

之后将4个离心铸型对称安装固定于直径2m的离心平台上，开启离心设备并调节转速使多孔板超重力系数达到180以上，之后把锌合金液浇入离心设备的加料斗内，锌合金液在离心压力的作用下穿过加料管透过多孔不锈钢板渗入前驱体的间隙中，离心15min待合金液完全凝固后停止离心机转动，将离心铸型取下并拆解，得到复合体。

将得到的复合体进行切削加工，用水将前驱体硫酸钠颗粒从复合体中溶解去除，得到通孔泡沫锌合金

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明技术实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开内容做出各种相应的改变和变型，但这些相应的改变和变型都应属于本发明所附的权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种超重力渗流制备通孔泡沫金属的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)渗流体的预熔化：将作为渗流体的金属在电炉中熔化，控制金属液温度为该金属熔点以上50～200℃；

2)前驱体的处理：将可溶性盐颗粒烘干并筛分，选取按重量计平均粒径0.1～5mm的可溶性盐颗粒作为制备通孔泡沫金属的前驱体；

3)离心渗流前准备：将步骤2)中处理完成的可溶性盐颗粒置于离心铸型中，在颗粒层的上表面固定一片多孔板，并将整个离心铸型置于加热炉中预热，预热温度不超过可溶性盐颗粒的熔化温度；

4)泡沫金属离心制备：将至少两个步骤3)中预热完成的离心铸型对称安装于超重力渗流装置离心平台，开启超重力渗流装置变频电机使离心平台转动，使用的可溶性盐颗粒平均粒径为0.1～0.4mm时，前驱体旋转离心超重力系数需大于180；可溶性盐颗粒平均粒径为0.4～1.0mm时，前驱体旋转离心超重力系数需大于50；可溶性盐颗粒平均粒径为1.0～2.0mm时，前驱体旋转离心超重力系数需大于30；可溶性盐颗粒平均粒径为2.0～5.0mm时，前驱体旋转离心超重力系数需大于20；并把步骤1)中熔化完成的金属液浇入超重力渗流装置加料斗内，金属液在离心力的作用下流经超重力渗流装置加料管并穿过多孔板渗流入前驱体的间隙中，保持装置运行至金属液凝固，之后关闭超重力渗流装置变频电机，将离心铸型取下并拆解，得到复合体；

5)前驱体的去除：将步骤4)中得到的复合体进行切削加工，用水将前驱体可溶性盐从复合体中溶解并去除，得到通孔泡沫金属。

2.一种超重力渗流制备通孔泡沫金属的装置，其特征在于装置由离心铸型、给料系统、驱动平台组成；

所述离心铸型(1)用于装盛可溶性盐颗粒(2)和多孔板(3)；可溶性盐颗粒(2)首先装入离心铸型(1)中，多孔板(3)置于可溶性盐颗粒(2)顶部，并与离心铸型(1)固定；离心铸型(1)能拆卸组装，方便制得的复合体取出；装料并预热完成的至少两个离心铸型(1)对称安装固定于离心平台(4)的外侧，并确保每个离心铸型(1)质量相等；离心铸型(1)的壳体材质为钢材，壳体外侧为耐火保温材料，壳体内表面涂覆耐火涂层。

3.如权利要求2所述的超重力渗流制备通孔泡沫金属的装置，其特征在于所述给料系统由加料斗(5)和加料管(6)组成；加料斗(5)和加料管(6)联通，并固定在离心平台(4)上；开起离心装置后，将熔化的金属液倒入加料斗(5)中，金属液在超重力作用下流经加料管(6)注入两边的离心铸型(1)中；加料斗(5)和加料管(6)壳体材质为钢材，内表面涂覆耐火涂层。

4.如权利要求2所述的超重力渗流制备通孔泡沫金属的装置，其特征在于所述驱动平台由固定在低位地基平台(12)上的钢结构支撑平台(8)、离心平台(4)和变频电机(11)组成；支撑平台(8)上部安装有环形轴承(7)，离心平台(4)坐落在支撑平台(8)的环形轴承(7)上；变频电机(11)与离心平台(4)底端转轴(9)通过皮带或齿轮(10)相连，开启变频电机(11)后，变频电机(11)驱动转轴(9)实现离心平台(4)的旋转，改变变频电机(11)转速可控制离心平台(4)的旋转速度及超重力系数；变频电机(11)工作时，离心平台(4)与安装在上面的离心铸型(1)、加料斗(5)和加料管(6)同时旋转。