CN109763013B - 一种超细泡沫锡基材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超细泡沫锡基材料的制备方法，制得的泡沫锡锌材料孔径细小且分布均匀，制备成本低、工艺简单。所述方法包括如下步骤：S10将锡锭和锌锭放入预热至700℃以上的坩埚中进行合金熔炼，形成金属熔体；S20将坩埚中温度降低至580～600℃，并向坩埚中通入保护气体；采用密闭装置封闭坩埚，同时保持金属熔体处于保护气氛中，加入泡沫稳定剂，并搅拌；S30将坩埚中的温度调节为发泡温度500～580℃，并加入经预处理的氢化钛作为发泡剂，搅拌时间为90～150s，发泡过程中加大保护气体的通气量；搅拌完成后静置2～3min，取出产物；S40将产物冷却，制成超细泡沫锡基材料。
Description
技术领域
本发明属于泡沫金属材料的制备领域，具体来说，涉及一种超细泡沫锡基材料的制备方法。
背景技术
多孔金属材料是一种性能优异的结构功能材料，具有轻质高强，优异的抗冲击性能和阻尼性能。多孔金属材料在汽车、航空航天、国防科技等领域有着广阔的应用前景。目前，对泡沫金属研究比较多的是泡沫铝、泡沫镁、泡沫钢等合金。对于低温合金泡沫目前还未有过详细的研究。泡沫锡锌合金具有良好的力学性能，且熔点低，可在较宽的温度范围内发泡。对于调节泡沫金属发泡条件范围，进一步扩大泡沫金属性能范围有着重要意义。小孔径泡沫金属较常规孔径泡沫金属有着更多的孔洞结构。因此，小孔径泡沫金属可以提高基于孔洞结构产生的阻尼等功能性，并同时提高材料性质一致性。现有小孔径泡沫金属的制备方法主要依靠发泡后早期冷却凝固，或者外加压力限制泡沫生长的方法来实现。这些方法有着泡沫金属密度过大或者制备装备复杂的缺点。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超细泡沫锡基材料的制备方法，制得的泡沫锡锌材料孔径细小且分布均匀，制备成本低、工艺简单。
为实现上述目标，本发明实施例采用如下的技术方案：
一种超细泡沫锡基材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：
S10将锡锭和锌锭放入预热至700℃以上的坩埚中进行合金熔炼，形成金属熔体；
S20将坩埚中温度降低至580～600℃，并向坩埚中通入保护气体；采用密闭装置封闭坩埚，同时保持金属熔体处于保护气氛中，加入泡沫稳定剂，并搅拌；
S30将坩埚中的温度调节为发泡温度500～580℃，并加入经预处理的氢化钛作为发泡剂，搅拌时间为90～150s，发泡过程中加大保护气体的通气量；搅拌完成后静置2～3min，取出产物；
S40将产物冷却，制成超细泡沫锡基材料。
作为优选例，所述步骤S20中，保护气体为SF6。
作为优选例，所述步骤S20中，泡沫稳定剂为钙粒。
作为优选例，所述步骤S20中，搅拌速度为300～500r/min，搅拌时间为10min以上。
作为优选例，所述步骤S30中，经预处理的氢化钛是指：将未处理的氢化钛粉末在400℃温度场条件下保温12h。
作为优选例，所述步骤S30中，发泡剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的2.0％。
作为优选例，所述步骤S20中，泡沫稳定剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的1.5％。
作为优选例，所述步骤S10中，锌锭的重量占锡锭和锌锭总重量的5～20％。
作为优选例，所述步骤S40中，冷却采用空冷或水冷。
本发明的有益之处在于：(1)本发明采用熔体发泡法，相较于其他泡沫金属的制备方法，用该方法可以制备大型成品的零件，也可以制备用于制备二次发泡的预制件，且制备成本低于其他制备方法；(2)本发明采用锡锌合金替代传统金属基体，有着熔点低的优势，且发泡剂种类可调，适用于低温发泡条件；(3)采用该方法制备的试样，具有孔分布均匀，孔径小的特点。相较于传统方法制备小孔径泡沫材料，熔体发泡法工艺简单，操作方便，利用锡锌合金熔点为198℃，发泡剂分解温度为400～700℃，发泡剂分解温度与锡锌合金熔点之间的温差较大，使得气体大部分溶解逃逸，最终留下细小均匀的孔结构。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的超细泡沫锡基材料的样品图；
图2是本发明实施例2制备的超细泡沫锡基材料的样品图；
图3是本发明实施例3制备的超细泡沫锡基材料的样品图。
具体实施方式
下面详细论述本发明的技术方案。
本发明实施例的一种超细泡沫锡基材料的制备方法，包括如下步骤：
S10将锡锭和锌锭放入预热至700℃以上的坩埚中进行合金熔炼，形成金属熔体。
S20将坩埚中温度降低至580～600℃，并向坩埚中通入保护气体，防止金属熔体过氧化。采用密闭装置封闭坩埚，同时保持金属熔体处于保护气氛中，加入泡沫稳定剂，并搅拌。搅拌速度为300～500r/min，搅拌时间为10min以上。优选的，泡沫稳定剂为钙粒。
优选的，保护气体为SF6。当然保护气体还可以采用其他气体，只要能够防止金属熔体过氧化即可。但是，不能选择二氧化碳作为保护气氛，因为二氧化碳也会与锡发生反应从而生成氧化锡。
S30将坩埚中的温度调节为发泡温度500～580℃，并加入经预处理的氢化钛作为发泡剂，搅拌时间为90～150s，发泡过程中加大保护气体的通气量，保证发泡过程中熔体不会被氧化。搅拌完成后静置2～3min，取出产物；
步骤S30中，经预处理的氢化钛是指：将未处理的氢化钛粉末在400℃温度场条件下保温12h。经预处理的氢化钛，使得氢化钛在400℃之前不分解，释气平稳，从而得到的气泡孔径更加均匀。
S40将产物冷却，制成超细泡沫锡基材料。冷却方式可采用空冷或水冷。
目前市场上现存的发泡剂，发泡气体主要为CO2和H2，而CO2会与锡基体反应生成二氧化锡从而氧化基体，加上熔体发泡法在发泡过程中高速搅拌，会导致熔体不断接触生成的气体，导致加速氧化。故选取不与基体发生反应的H2气体作为发泡气体。氢化钛释气温度400℃以上，锡锌合金熔点为200℃，选取此种发泡剂与金属基体组合，目的是增大金属凝固过程的过冷度。因为不同温度条件下氢气分压不同，温度越高，氢平衡分压越高，产气量越大，所以在降温过程中，氢平衡分压降低。在平衡反应过程中，TiH2分解生成氢气。随着温度降低，由于氢平衡分压低于实际氢气压力，所以反应平衡趋向于逆反应过程的进行，即吸氢过程。在反应过程中，根据理想气体平衡方程PV＝nRT，当温度降低，外界大气压不变，根据上述推测，系统中的氢浓度随着温度下降而下降，故内部气压降低。根据拉普拉斯压力公式ΔP＝γ/2r，故r要降低，使得气泡内外压力相平衡。r降低导致体积降低，最终结果显示气泡收缩变小。
优选的，所述步骤S30中，发泡剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的1.5％。这保证基体在融化过程中有足够量的气体的同时能够使得孔结构良好，缺陷少。所述步骤S20中，泡沫稳定剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的2.0％。这使得气泡能够稳定在基体中，不会过早逃逸。所述步骤S10中，锌锭的重量占锡锭和锌锭总重量的9.12％。在此成分比例下锡锌合金熔点最低。
熔体发泡法是泡沫金属制备的主要方法。发泡剂采用预处理过的氢化钛，氢化钛释气温度约为400℃，较低的熔体发泡温度有益于获得更均匀的孔结构。如果金属熔体温度低于400℃，发泡剂在分散时不产生明显的释气行为。本实施例采用熔体发泡法，相比于传统泡沫铝，锡锌合金熔点低，发泡剂分解温度高，在冷却过程中温差大，预留足够的时间让气体大部分逃逸出去，留下细小的孔洞，制备得到具有细小孔径的锡锌合金泡沫。传统泡沫铝制备细小孔径的泡沫结构件过程复杂，制备困难。
本发明实施例的方法采用氢化钛作为发泡剂，利用发泡剂的分解温度与基体凝固温度之间的温度差，通过凝固时降温过程氢气吸收和气泡中的气体收缩效应，减少气泡体积，获得稳定的小孔径0.1～2mm泡沫合金。在本发明中，发泡剂为发泡温度400℃以上的氢化钛，金属基体为熔点199.8℃的锡锌合金，发泡剂在高温分解生成氢气，不与基体金属发生反应。本发明方法操作简单，基体成分可调，且可制备二次发泡的预制件，孔隙率能够达到60～91％，平均孔径能够达到0.1～2mm。
下面通过具体实施例，论证本发明方法可以制备得到超细泡沫锡基材料。
实施例1
将质量为1031g的锡锭和质量占总质量9.12％的锌锭(103.6g)放入预热至700℃以上的坩埚中熔化；待温度稳定在580℃，采用密闭装置将坩埚密闭，通入保护气体SF6，大概十分钟左右以保证坩埚充满保护气氛。投入2wt.％(22.69g)Ca粒，以300r/min的转速搅拌十分钟；保持通气，调节温度至550℃，保持持续通入保护气体。投入1.5wt.％(17.02g)预先在400℃温度下处理过的TiH2，以600r/min的转速搅拌150s；去除密闭装置和搅拌桨，关闭保护气氛，在炉内继续发泡3min，保证充分发泡，取出后在空气中冷却，制成超细泡沫锡基材料。
将制成的超细泡沫锡基材料经线切割得到标准件，经过测量算出孔径为0.1～0.5mm，孔隙率为63％。对制成的超细泡沫锡基材料，经过线切割取样，清洗烘干，如图1所示。从图1中可以看出孔结构良好，分布均匀，大小相差无几。
实施例2
将质量为1031g的锡锭和质量占总质量9.12wt.％的锌锭(103.6g)放入预热至750℃的坩埚中熔化；待温度稳定在600℃，采用密闭装置将坩埚密闭，通入保护气体SF6，大概十分钟左右以保证坩埚充满保护气氛。投入2wt.％(22.69g)Ca粒，以400r/min的转速搅拌20分钟；保持通气，调节温度至580℃，保持持续通入保护气体。投入1.5wt.％(17.02g)预先在400℃温度下处理过的TiH2，以600r/min的转速搅拌90s；去除密闭装置和搅拌桨，关闭保护气氛，在炉内继续发泡2min，保证充分发泡，取出后在空气中冷却。
将制成的超细泡沫锡基材料经线切割得到标准件，经过测量算出孔径为0.5～1mm，孔隙率为77％。对制成的超细泡沫锡基材料，经过线切割取样，清洗烘干，如图2所示。从图2中可以看出孔结构良好，分布均匀。
实施例3
将质量为1031g的锡锭和质量占总质量9.12wt.％的锌锭(103.6g)放入预热至750℃的坩埚中熔化；待温度稳定在590℃，采用密闭装置将坩埚密闭，通入保护气体SF6，大概十分钟左右以保证坩埚充满保护气氛。投入2wt.％(22.69g)Ca粒，以500r/min的转速搅拌十五分钟；
保持通气，调节温度至500℃，保持持续通入保护气体。投入1.5wt.％(17.02g)预先在400℃温度下处理过的TiH2，以600r/min的转速搅拌120s；去除密闭装置和搅拌桨，关闭保护气氛，在炉内继续发泡3min，保证充分发泡，取出后水冷。
将制成的超细泡沫锡基材料经线切割得到标准件，经过测量算出孔径为1～2mm，孔隙率为91％。对制成的超细泡沫锡基材料，经过线切割取样，清洗烘干，如图3所示。从图3中可以看出孔结构良好，分布均匀。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
Claims (9)
1.一种超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S10将锡锭和锌锭放入预热至700℃以上的坩埚中进行合金熔炼，得到锡锌合金金属熔体；
S20将坩埚中温度降低至580～600℃，并向坩埚中通入保护气体；采用密闭装置封闭坩埚，同时保持金属熔体处于保护气氛中，加入泡沫稳定剂，并搅拌；
S30将坩埚中的温度调节为发泡温度500～580℃，并加入经预处理的氢化钛作为发泡剂，搅拌时间为90～150s，发泡过程中加大保护气体的通气量；搅拌完成后静置2～3min，取出产物；
S40将产物冷却，制成超细泡沫锡基材料。
2.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，保护气体为SF6。
3.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，泡沫稳定剂为钙粒。
4.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，搅拌速度为300～500r/min，搅拌时间为10min以上。
5.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S30中，经预处理的氢化钛是指：将未处理的氢化钛粉末在400℃温度场条件下保温12h。
6.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S30中，发泡剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的1.5％。
7.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，泡沫稳定剂重量占超细泡沫锡基材料总重量的2.0％。
8.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，锌锭的重量占锡锭和锌锭总重量的9.12％。
9.根据权利要求1所述的超细泡沫锡基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤S40中，冷却采用空冷或水冷。
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