CN108754192B - 一种金属原料及其制备及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属原料及其制备及其使用方法，其中制备方法，包括：向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生局部合金反应，产生两者的合金反应物；形成同时具有所述第一熔点金属、第二熔点金属、以及合金反应物的金属原料；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度。与现有技术相比，本发明具有如下优势：降低了反应温度要求，进而减小了制造能耗及制造成本，降低了高温设备要求。

Description

一种金属原料及其制备及其使用方法

技术领域

本发明属于金属材料技术领域，尤其涉及一种金属原料及其制备及其使用方法。

背景技术

众所周知，温度低于金属熔点，金属呈固态，温度高于金属熔点，金属呈液态；另外，对于同一种金属而言，固态下的金属比液态下的金属稳定性更高，而另一方面，液态下的金属的活性则比固态下的金属高，更易于与其它金属/物质发生反应。

工业制造中金属合金的制造过程中主要是将进行合金的金属混合后升温，使参与合金反应的金属均成液态，进而使两种/及两种以上的金属进行合金反应，这也造成温度至少要达到参与合金反应的金属中最高熔点温度，存在设备要求高、制造能耗大、制造成本高的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种金属原料的制备方法，以解决现有技术中合金反应对于设备要求高、制造能耗大、制造成本高的问题。

在一些说明性实施例中，所述金属原料的制备方法，包括：向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生局部合金反应，产生两者的合金反应物；形成同时具有所述第一熔点金属、第二熔点金属、以及合金反应物的金属原料；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度。

在一些可选地实施例中，向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，具体包括：赋予热能；或，赋予热能及机械能。

在一些可选地实施例中，通过如下方式向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋予直接热能/间接热能及机械能：对所述第一熔点金属与第二熔点金属的金属混合物进行指定参数的球磨处理或立式捏合处理。

在一些可选地实施例中，所述球磨处理的指定参数，包括：球磨转速及球磨时间。

在一些可选地实施例中，所述立式捏合处理的指定参数，包括：捏合转速、捏合温度及捏合时间。

在一些可选地实施例中，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度高的金属采用纳米级或微米级的金属粉末。

在一些可选地实施例中，所述金属粉末的粉体尺寸为20mm-75μm。

在一些可选地实施例中，按重量百分比记，所述第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物中熔点温度高的金属的占比为8％-50％。

在一些可选地实施例中，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于300摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于500摄氏度。

在一些可选地实施例中，所述熔点温度低的金属选用汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、铟锡合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。

在一些可选地实施例中，所述熔点温度高的金属选用铁、铬、锰、铝、镁、钙、锶、钡、铜、钴、镍、锑、金、银、铂、钯、锇、铱、铍、钛、锆、铪、钒、钽、钨、钼、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍中的一种、几种或任意组分合金。

在一些可选地实施例中，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于30摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于1000摄氏度。

在一些可选地实施例中，所述熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓单质和/或镓基合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1000摄氏度以上的铜、铁、镍、金、钛中的一种或几种。

在一些可选地实施例中，所述熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓铟合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1400摄氏度以上的铁和/或镍。

在一些可选地实施例中，将制成的所述金属原料置于零下15-25摄氏度的低温环境中储藏。

本发明的另一个目的在于提出一种制造合金的金属原料。

在一些说明性实施例中，所述金属原料，其为由上述的制备方法制成的金属混合物，该金属混合物中包括第一熔点金属、第二熔点金属、以及两者的合金反应物；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度。

本发明的再一个目的在于针对上述金属原料，提出一种金属原料的使用方法。

在一些说明性实施例中，所述的金属原料的使用方法，包括：提升金属原料的环境温度，使所述环境温度位于第一熔点金属与第二熔点金属的熔点温度之间，将两者中熔点温度低的金属熔化成液态；维持所述环境温度，以两者的合金反应物的作为形核点，继续产生所述合金反应物。

本发明的再一个目的在于提出一种室温自固化的金属原料，其为由上述的制备方法制成的金属混合物，该金属混合物中包括熔点不高于30摄氏度的液态金属、熔点不低于1000摄氏度的金属粉末、以及两者的合金反应物；所述金属原料在室温环境下的初始状态呈粘稠状液态，在室温条件下2–48小时，由粘稠状液态转变为固态。

本发明通过控制金属混合物发生局部合金反应，制成制造金属合金的金属原料或又可称为金属合金的半成品，在后续的制备过程中，只需要将低熔点的金属熔化成液态，在基于已存在的合金反应物作为合金反应的形核点逐步发生合金反应，得到目标合金反应物。与现有技术相比，本发明具有如下优势：降低了反应温度要求，进而减小了制造能耗及制造成本，降低了高温设备要求。

附图说明

图1是本发明实施例中的金属原料的制备流程图；

图2是本发明实施例中的金属原料的使用流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

本发明公开了一种金属原料的制备方法，这种金属原料可用于制备金属合金，方法包括：

步骤S11、将第一熔点金属与第二熔点金属进行物理混合；

步骤S12、向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生局部合金反应，产生两者的合金反应物；

步骤S13、形成同时具有所述第一熔点金属、第二熔点金属、以及合金反应物的金属原料；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度。

本发明通过控制金属混合物发生局部合金反应，制成制造金属合金的金属原料或又可称为金属合金的半成品，在后续的制备过程中，只需要将低熔点的金属熔化成液态，在基于已存在的合金反应物作为合金反应的形核点逐步发生合金反应，得到目标合金反应物。与现有技术相比，本发明具有如下优势：降低了反应温度要求，进而减小了制造能耗及制造成本，降低了高温设备要求。

本发明实施例中向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能的方式，可以选择：1.赋予直接热能；2.赋予间接热能；3.赋予直接热能/间接热能及机械能。其中，赋予直接热能是指通过传统加热方式，例如燃煤、燃气、燃油等物质燃烧所释放的热能；赋予间接热能是指通过其它能转换成的热能，例如通电电阻丝加热、光照加热、机械作功产热等；赋予直接热能/间接热能及机械能是指除热能外，还可包括机械能，机械能是指由于物体位置移动、形变、挤压、碰撞等物理机械产生的能量。

本发明公开了以下几种实现向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能的具体实施例：

1.传统加热；

一种方式是将温度提升至2种金属的最高熔点，使两种金属均成液态，此时2种液态的金属的相互金属浸润现象明显，需要控制高温时间未达到2种金属完全合金反应时间，完全合金反应时间可通过实验获得；另一种方式是对加热容器中的局部进行升温，该位置处的温度达到2种金属的最高熔点，使该位置处的两种金属产生合金反应，达到局部合金反应。

采用上述传统加热方式可以降低对于热能的需求，从而降低热能的消耗，但其仍处于较高温度范围，同时反应时间不易控制。

2.高压电击；

将粉体/颗粒状的2种金属进行均匀混合，对金属混合物进行持续的电击，使电击处的温度急剧升高，达到两者的合金反应温度条件，进而产生合金反应物。

这种方式虽然相较传统加热而言，能耗小、污染小，但该方式对于制备设备要求仍然较高，需要额外的安全保障设备。

3.球磨处理

将2种金属放入球磨装置中进行球磨处理，在一定转速的条件下球磨一段时间，可得到本发明实施例中所要求的金属原料。

球磨处理过程中可对2种金属产生极高的能量，包括挤压、碰撞产生的机械能和热能，以行星球磨装置予以说明，行星球磨装置包括大转盘和球磨罐，球磨罐固定在大转盘上的小转盘上，大转盘和小转盘的转动时带动球磨罐进行类似公转、自转的运动，并且球磨罐中球磨珠在球磨的过程中相互碰撞实现对金属粉末的挤压、破碎，实现对金属的赋能。

目前球磨机的转速可达到2200转/分钟，其球磨罐中的某些点位温度可达到1600摄氏度以上，可满足多种金属的合金反应条件，并且球磨处理中其能量分布不均，更适于发生不完全的合金反应，以制备本发明实施例中的金属原料。与上述两种方式相比，设备要求低、反应程度更易控制。

4.立式捏合；

立式捏合与球磨处理的方式类似，是通过碾压捏合的方式向金属提供热能及机械能，亦可实现较好效果，但立式捏合无法像球磨处理一样产生大量热能，因此需要此基材上提供所需热能，其它在此不再赘述。

本发明实施例中的优选方案中选用球磨处理或立式捏合的方式向金属混合物赋能，其中，球磨处理(例如行星球磨/搅拌球磨)中的需控制的指定参数，包括：球磨转速及球磨时间。球磨转速和球磨时间需根据实际混合的金属进行设定，优选地，球磨转速可为600–2000转/分钟，球磨时间可为10–300分钟。

而采用立式捏合(立式捏合机)处理中需要控制的指定参数，包括捏合转速、捏合温度及捏合时间，上述参数需根据实际混合的金属进行设定。

在一些实施例中，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度高的金属采用纳米级或微米级的金属粉末。高熔点金属(即熔点温度高的金属)采用粉末状更易于本发明中金属原料的制备、以及使用，使得高熔点金属更易于参与反应。高熔点金属的粉体尺寸需根据实际需求进行选择，粉体尺寸的大小与合金反应的程度呈反比，粉体尺寸越小，其合金反应越块，粉体尺寸越大，其合金反应越慢。优选地，高熔点金属的粉体尺寸在20mm-75μm。

其中，按重量百分比记，所述第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物中熔点温度高的金属的占比为8％-50％。高熔点金属的质量占比可根据实际制备的合金的比例、成分而定，例如8％、9％、12.5％、18％、21％、30％、35％、37％、41％、48％、50％等多种质量比例关系。

在一些实施例中，第一熔点金属与第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于300摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于500摄氏度。其中，熔点温度低的金属的熔点温度可选择12±2摄氏度、17±2摄氏度、29±2摄氏度、65±2摄氏度、80±摄氏度、98±2摄氏度、120±2摄氏度、180±2摄氏度、220±2摄氏度、232±2摄氏度、260±2摄氏度、288±2摄氏度、298±2摄氏度。例如汞、镓、铟、锡单质、镓铟合金、镓铟锡合金、镓锡合金、镓锌合金、镓铟锌合金、镓锡锌合金、镓铟锡锌合金、镓锡镉合金、镓锌镉合金、铋铟合金、铋锡合金、铋铟锡合金、铋铟锌合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金、锡铅合金、锡铜合金、锡锌铜合金、锡银铜合金、铋铅锡合金中的一种或几种。其中，上述合金的熔点可根据其合金相图中的比例进行相应熔点的配比选择。例如镓铟合金，根据其合金相图，随着镓的含量从100％-0％不断减少、铟的含量从0％-100％不断升高的过程中，合金熔点从29摄氏度开始逐渐下降，直至达到镓铟合金的低共熔点，此时镓铟合金的熔点最低(15摄氏度左右)，镓铟合金的比例79.6的镓，21.4的铟，此后，镓铟合金的熔点逐步向铟的熔点靠近，最终可达到158摄氏度左右。

其中，熔点不低于500摄氏度的金属可选用铁、铬、锰、铝、镁、钙、锶、钡、铜、钴、镍、锑、金、银、铂、钯、锇、铱、铍、钛、锆、铪、钒、钽、钨、钼、锗、铼、镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇、钍中的一种、几种或任意组分合金。。

针对上述金属材料选取范围，在此提出以下表格中多种材料组合方案予以说明，其中，表格中低熔点金属是指熔点低于300摄氏度以下的金属，高熔点金属是指熔点不低于500摄氏度的金属。

在一些实施例中，第一熔点金属与第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于30摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于1000摄氏度。其中，所述熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓单质和/或镓基合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1000摄氏度以上的铜、铁、镍中的一种或几种。

基于上述条件的金属材料制备成的金属原料具有室温环境下自反应的特点，在对制备时间的要求不是特别高的情况下，制备符合上述条件的合金可极大的降低制备成本。该自反应时间在2–48小时。

除此之外，上述实施例还可满足制备室温自固化的金属原料，由于熔点不高于30摄氏度的金属在常温/室温环境下即呈液态，可使金属原料的在常温下呈粘稠状，其与熔点在1000摄氏度以上的金属产生的合金的熔点也基本上在500摄氏度以上，也就是说合金在室温下呈固态，因此金属原料的粘稠状程度与熔点高于1000摄氏度以上的金属粉末的含量及合金反应程度相关，含量越多则其粘稠度越高，合金反应程度越高则其粘稠度越高。

这也使金属原料可在室温环境下自发性的从粘稠状液态转化为固态，并且由于合金的熔点较高，因此可使固化后的金属材料在较大的温度范围下稳定存在，这一特性使得以金属需求而言，可应用于各种导电、导热以及其它金属特性需求的领域，以操作方式而言，其流体的使用状态可应用于涂覆、灌注、填充、打印、印刷等领域，操作适应性强。

具体的，熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓铟合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1400摄氏度以上的铁和/或镍。

针对熔点在30摄氏度以下的低熔点金属和高熔点金属粉末之间如何选择配对，在此提供几种组合方案：

1.低熔点金属选用熔点为29.76摄氏度的镓单质，高熔点金属粉末选用1535摄氏度熔点的铁粉，镓单质与铁粉的合金反应物为FeGa₃。

2.低熔点金属选用低共熔的镓铟合金，高熔点金属粉末选用1450摄氏度熔点的镍粉，镓铟合金与镍粉的合金反应物为Ni₂Ga₃、NiGa₅、Ni₃Ga₇和InNi₃中的一种或多种。

3.低熔点金属选用低共熔的镓铟合金，高熔点金属粉末选用1450摄氏度熔点的镍粉与1535摄氏度熔点的铁粉的混合物，所产生的合金反应物为FeGa₃、Ni₂Ga₃、NiGa₅、Ni₃Ga₇和InNi₃中的一种或多种。

4.低熔点金属选用低共熔的镓锡合金，高熔点金属粉末选用1450摄氏度熔点的镍粉与1535摄氏度熔点的铁粉的混合物，所产生的合金反应物为FeGa₃、Ni₂Ga₃、NiGa₅和Ni₃Ga₇中的一种或多种。

本发明提供了多种低熔点金属与金属粉末的组合方案，本领域技术应该理解的除上述举例说明的组合方案之外，还可采用其他的组合方案均可达到本发明的目的，在此不再赘述。

本发明还公开了一种制造合金的金属原料，所述金属原料为由上述的制备方法制成的金属混合物，该金属混合物中包括第一熔点金属、第二熔点金属、以及两者的合金反应物；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度。

其中，第一熔点金属和第二熔点金属选择可如上述制备方法中所阐述的选择范围中任意搭配。

本发明还公开了一种制造合金的金属原料的使用方法，包括：

步骤S21、提升金属原料的环境温度，使所述环境温度位于第一熔点金属与第二熔点金属的熔点温度之间，将两者中熔点温度低的金属熔化成液态；

步骤S22、维持所述环境温度，以两者的合金反应物的作为形核点，继续产生所述合金反应物。

该实施例中金属原料可作为合金半成品，可在其中的第一熔点金属、第二熔点金属中熔点低的金属熔化状态下继续发生合金反应，无需将2种金属物质全部熔化，降低了制造能耗与设备要求。

本发明还公开了一种室温自固化的金属原料，所述金属原料为由上述的制备方法制成的金属混合物，该金属混合物中包括熔点不高于30摄氏度的液态金属、熔点不低于1000摄氏度的金属粉末、以及两者的合金反应物；所述金属原料在室温环境下呈粘稠状液态。其中，所述金属原料置于0至-25摄氏度的低温环境中储藏，以避免金属原料提前固化。优选地，低温环境温度在-15至-25摄氏度之间，又或者是不高于-18摄氏度。

其中，第一熔点金属和第二熔点金属选择可如上述制备方法中符合其熔点要求的选择范围中任意搭配。

在一些实施例中，所述金属原料使用时，首先将其进行解冻，再将其进行灌注、涂覆、打印等操作，经过室温条件下2–48小时，金属原料从粘稠状液态转变为固态。

本发明实施例中的室温自固化的金属原料，由于其流体特征、金属特性，可应用于导电领域、屏蔽领域、导热领域，又可根据混合的金属颗粒(如镍)的选择，应用于阻燃领域和防腐领域，以及根据金属混合物的粘稠度，应用于塑型领域、涂层涂覆领域、打印印刷领域。具体的，可根据调整其中的低熔点金属和金属粉末的选择，以及含量的方式使其更适于各个应用方向。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (9)

1.一种金属原料的制备方法，其特征在于，包括：

向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，使所述第一熔点金属与所述第二熔点金属发生局部合金反应，产生两者的合金反应物；

形成同时具有所述第一熔点金属、第二熔点金属、以及合金反应物的金属原料；

其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于30摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于1000摄氏度；

向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋能，具体包括：

赋予热能及机械能；

通过如下方式向第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物赋予直接热能/间接热能及机械能：

对所述第一熔点金属与第二熔点金属的金属混合物进行指定参数的球磨处理，球磨转速为600-2000转/分钟。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度高的金属采用纳米级或微米级的金属粉末。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述金属粉末的粉体尺寸为20mm -75μm。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，按重量百分比记，所述第一熔点金属与第二熔点金属组成的金属混合物中熔点温度高的金属的占比为8% - 50%。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓单质和/或镓基合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1000摄氏度以上的铜、铁、镍、金、钛中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述熔点温度低的金属选用在室温环境中呈液态的镓铟合金，所述熔点温度高的金属选用熔点在1400摄氏度以上的铁和/或镍。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将制成的所述金属原料置于零下15-25摄氏度的低温环境中储藏。

8.一种金属原料，其特征在于，其为由权利要求1所述的制备方法制成的金属混合物，该金属混合物中包括第一熔点金属、第二熔点金属、以及两者的合金反应物；其中，所述第一熔点金属和所述第二熔点金属的熔点温差至少为200摄氏度，所述第一熔点金属与所述第二熔点金属中熔点温度低的金属的熔点不高于30摄氏度，熔点温度高的金属的熔点不低于1000摄氏度。

9.一种如权利要求8所述的金属原料的使用方法，其特征在于，包括：

提升金属原料的环境温度，使所述环境温度位于第一熔点金属与第二熔点金属的熔点温度之间，将两者中熔点温度低的金属熔化成液态；

维持所述环境温度，以两者的合金反应物的作为形核点，继续产生所述合金反应物。