CN1101478C - 一种泡沫金属制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种泡沫金属制造方法。具体步骤包括多孔体材料预制、金属熔化处理、加压复合成型、机械加工定形、后处理等。由本方法制得的泡沫金属不仅在孔隙均匀性、孔径可调节性、孔隙的贯通性及工艺简便性方面明显优于熔体发泡法，而且有效地克服了原渗流法成型性差，质量不稳定，易产生白斑等问题，可广泛用于过滤、分离、吸声、阻燃及催化等领域。

Description

一种泡沫金属制造方法

本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种泡沫金属的制造方法。

泡沫金属统称为多孔金属。通常把孔隙率较高、孔径较大、孔隙间相互连通的轻质多孔金属称为泡沫金属。现有制备泡沫金属的方法有发泡法、电解法、铸造法、渗流法，其中发泡法是在金属溶液中加入Mg、Ti、Zr等金属氢化物的气体发生物，使其在熔体中产生大量气泡，冷凝后得到含大量独立孔洞的泡沫金属，该方法虽然可制备高孔隙率的泡沫金属，但由于熔体各部位温度及凝固速度不一致，其孔隙数量及尺寸均匀性的控制很困难，而且形成的独立孔隙还需要采用特殊的轧制工艺使其连通，方可应用在吸声产品中，其工艺流程复杂，质量稳定性差；电解法是以高孔隙的泡沫聚氨脂为骨架经过导电预处理后，在其骨架表面电镀一层金属，经过高温焙烧去掉聚氨脂骨架，即形成网络状泡沫金属，该方法虽然能制备高孔隙率的泡沫金属，而且孔隙连通，但目前只限于Ni、Fe等高熔点金属的应用，其厚度尺寸受到很大的限制；铸造法又称熔模铸造法，也是以泡沫聚氨脂为骨架，首先在骨架孔隙中灌入耐高温、水溶性陶瓷浆料，待浆料固化后高温焙烧去掉聚氨脂骨架，将多孔陶瓷体放入可抽真空的特定模具中，浇入金属液后抽真空，使金属液在负压下渗入多孔陶瓷体的孔隙中，凝固后将金属—陶瓷复合体放入水中脱溶，最后得到孔隙均匀的泡沫金属，但该方法工艺流程十分复杂，实用性差。渗流法又称加压渗流法，是用加压(正压或负压)的方法将液体金属渗入预制的多孔体中，冷凝后去除多孔体材料，而获得具有独特孔隙结构的泡沫金属，该泡沫金属制造方法简单，孔隙间相互连通、尺寸可调、孔隙率为60-80％，并可加工成任意形体，这是上述方法所不具备的。但该渗流法存在多孔体紧实度不均匀，浇注时上方颗粒易上浮问题，使得泡沫金属中孔隙大小及分布不均匀；同时，多孔体孔隙深处的某些残存的物质不易清洗干净，从而导致泡沫金属表面有白斑等腐蚀引起的缺陷产生，影响其正常使用。其中负压控制的渗流法由于孔隙连通性较差，孔隙的清洗和净化就更为困难。

本发明的目的在于提出一种能使泡沫金属孔隙尺寸及分布更加均匀，工艺流程更为简化，并能有效地消除白斑等缺陷，从而可明显提高泡沫金属表面质量和整体性能的泡沫金属制造方法。

本发明提出的泡沫金属制造方法，具体步骤如下：多孔体材料预制、金属熔化处理、加压复合成型、机械加工定形、后处理。其中：

1、多孔体材料的预制，具体工序为：(1)筛分，以得到所需尺寸大小的颗粒，(2)加热烘烤，以去除水份，(3)过筛去粉，去除小于所需尺寸的颗粒以及粉末，(4)预热，其温度在该多孔体材料自身熔点以下250-450℃为宜。得到预制颗粒。

这里的多孔体材料是指构成泡沫金属孔隙的填充材料，该填充材料要求具有优良的耐热性和水溶性，即首先能承受高温金属液的冲刷，在高温下颗粒不软化、不碎裂；其次，在水、水溶液或某些酸溶液中溶解度高，易于去除。根据金属不同的种类及熔点，可选择不同的填充材料。一般可在KCl、NaCl、Na₂CO₃、K₃PO₄、MgO等无机盐或氧化物中选取。

2、金属熔化处理，具体工序为：将金属或合金锭放入熔炉中进行熔化，加入无污染的精炼剂和细化剂，去除金属液中的气体及渣质，并使晶粒细化，达到规定的成型温度后，在炉中保温待用。一般其浇铸温度控制在该金属的熔点以上100-250℃范围内为宜。金属液在炉内保温及使用过程中，要确保温度及晶粒细化效果的稳定。

另外，金属或合金锭在入炉前需清除表面油污和水分，减少杂质混入。

本发明中，适合于制作泡沫金属的金属种类主要选择Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金。

3、加压复合成型。具体工序为：模具预热、多孔预制颗粒充填和预压、浇注液体金属、加压成型、脱模。其中模具预热温度一般为150-350℃，以保证成型过程中温度的均匀性。多孔预制颗粒填充、预压，首先将多孔预制颗粒充填到模具的型腔中，然后在颗粒表面进行预压，使充填颗粒紧实、均匀，一般预压力为0.1-3Mpa。浇注液体金属，即在规定的浇注温度下将金属液一次浇入模具型腔中；然后在液面上方施加压力，使金属熔体在压力下渗入预制颗粒间隙中，凝固后形成金属-预制颗粒复合体。这里的成型压力一般为2-15Mpa，具体按预制颗粒粒度大小及渗流高度来确定。

4、机械加工定形，即采用常规机械加工方法(如车、刨、铣、锯、钻等)，将金属——颗粒复合体加工成需要的形状及尺寸大小，如圆柱体、圆筒体、锥体、多面体、正方体、板形或其他异形体等。这里，加工比较方便，得到的加工件表面平整。

5、后处理，其工序为将经机械加工的定形件依次进行脱溶、净化、干燥处理。其中，脱溶包括：将定形件在清水溶液中浸泡、冲洗、脱水，反复多次循环，以去除复合体中大部分的易溶填料。净化可采用①清水净化，②冲洗、离心净化，③超声波净化，④化学品(如异丙醇)净化，⑤真空水环净化，其目的是彻底去除多孔体微孔中残留的填料。根据产品尺寸及孔隙特性的不同，可选择上述净化方法中的若干种。例如：可选择①、②、③，或①、②、④，或①、②、③、④，或①、②、③、④、⑤等。脱溶、净化时间一般为3-35小时。干燥温度一般为100-250℃，干燥时间视干燥炉类型及产品尺寸来确定。通过干燥，彻底去除多孔金属孔隙骨架上附着的水份，以保证产品质量的稳定性。

本发明方法中，还可在泡沫金属上面浇注一层该金属实体层。即根据需要，在金属——颗粒复合体加压成型时，在上面再浇注一层给定尺寸的该金属实体层，如图1所示。使加工后的器件具有一个金属实体边框，以提高器件整体结构强度。

由本发明方法制得的泡沫金属其孔隙率为60-80％，通孔率大于95％，孔径可在0.3-4.5mm范围调节。它不仅在孔隙均匀性、孔径可调节性、孔隙的贯通性及工艺简便性方面明显优于熔体发泡法，而且有效地克服了原加压渗流法成型性差、质量不稳定、易产生白班、裂纹、缺肉、缩孔等问题，使泡沫金属在各种大气环境下使用及存放也不产生白斑等腐蚀类缺陷；同时，带有实体金属层(外缘或上端)的复合体，提高了泡沫金属器件整体结构强度及装配性。本泡沫金属是一种有实用价值的新型多孔材料，可在过滤、分离、吸声、阻燃及催化等多领域得到应用，如制造过滤器滤芯、分流器分流板、消声器内衬板及套筒、声屏障吸声面板、催化器载体等。

图1为带有实体金属层的泡沫金属结构图示。

图2为经机械加工定形的消声器套图示。

图3为经机械加工定形的过滤器滤芯图示。

图4为外缘为实体铅层的泡沫铅板图示。

其中，1为实体金属层，2为金属骨架(灰白色部分)，3为孔隙(深色部分)。

实施例1：泡沫铝筒体制造

将颗粒状天然海盐(NaCl)经筛分后，取60目筛盘上颗粒，在300-400℃烘干，再次筛分去除粉状物；将一定重量的颗粒物在400℃温度下预热0.5hr以上，颗粒物均匀加热后，将其快速倒入内腔为φ250×250、经预热(180℃)的金属模具中，金属模具可预先固定在某压力机上，也可是移动的—即当颗粒物充填后与模具一起安放在压力机的某一确定位置上；对型腔中的颗粒在0.5Mpa下预压实后，向模具上口浇注牌号为ZL101铝合金溶液，通过特制限位上压头，施压至限位高度，将铝合金液均匀压入颗粒间隙中，冷却凝固后脱模，获得上端带有10-15mm厚铝层，其尺寸为φ250×150的金属铝——颗料盐复合体(毛坯)，如图1所示。将该复合体经机械加工，首先去除外表的实铝层，再按图纸尺寸加工成筒形件，筒形件的最大尺寸为φ250×145，筒体壁厚可在5-50mm范围内选择；同时，根据需要筒形件可以是贯通的，也可以是一端封闭的，如图2、图3所示。本发明的泡沫铝筒件一端设置实铝层的目的，是为了提高筒体整体强度，特别是端口处的强度，便于安装、紧固及延长使用寿命。将加工好的筒件按下列工序进行后处理：①脱溶——②冲洗——③脱水——④超声波净化——⑤异丙醇净化——⑥烘干，根据筒件尺寸及壁厚不同，上述①②③工序需反复多次，④⑤工序可选择其一，也可同时选用；最终水质经电导仪测定，其水质电导率若接近原清水电导率，则筒件可在100-200℃烘干。最终可获得孔隙率为70％，通孔率大于95％、孔径为0.45mm的泡沫铝筒形件。该筒形件可作为过滤器滤芯、消声器吸声体或内衬，由于其独特的孔隙结构及质轻、耐潮湿、耐腐蚀、耐热、耐寒、加工性优良等特性，因而，是某些非金属材料滤芯或吸声体以及粉末冶金滤芯或吸声体的优良替代品。该方法可制取的筒件尺寸为：直径φ20-1000mm，高度30-200mm，壁厚5-100mm。

采用同样方法可制取不同尺寸及孔径的圆柱体、圆锥体、正方体、圆板、方板及其它异形泡沫铝件。

实施例2：泡沫铅板件制造

将筛分后留在12目筛盘上的颗粒盐在350℃烘干，再次筛分去除粉状物后，将一定重量颗粒物在300℃均匀预热，并将加热的颗粒迅速倒入内腔为100×100×200mm的方形模具中，颗粒经0.5Mpa预压实后，再由模具上口浇入铅合金熔液，浇注温度约480℃；用限位上压头将铅合金熔体压入颗粒间隙中，冷凝后脱模，即获得尺寸为100×100×150mm金属铅—颗粒盐复合体；对复合体进行机械加工，首先将上、下端的实体铅层去除，再用锯加工方法将复合体加工成所需厚度的板体，获得具有实体铅外缘的多孔铅板，如图4所示，板体的厚度可在6-50mm范围内任意调节，若不需实体铅外缘，可预先将复合体外表面实体铅层加工掉，再进行锯切加工。采用实施例1所述的后处理工序①②③④⑥，脱溶、净化、烘干后，即获得孔隙率78％，通孔率98％以上，主孔径2.5mm并具有加强铅层外缘的泡沫铅板材。

用同样方法也可制取正方体、圆柱体、圆板形的泡沫铅。该泡沫铅板材可应用于电池极板及防护电磁屏障等领域。

Claims (3)

1、一种泡沫金属制造方法，具体步骤为：多孔体材料预制、金属溶化处理、加压复合成型、机械加工定形、后处理，其特征在于：

(1)多孔体材料预制工序为：①筛分，得到所需尺寸大小的颗粒，②加热烘烤，去除水份，③过筛去粉，④预热，其温度在该多孔体材料自身熔点以下250-450℃，该多孔体材料在KCl、NaCl、Na₂CO₃、K₃PO₄、MgO中选取；

(2)金属熔化处理工序为：将金属或合金锭放入熔炉中进行熔化，加入无污染的精炼剂和细化剂，去除金属液中的气体及渣质，并使晶粒细化，达到规定的成型温度，保温待用，保温温度在该金属熔点以上100-250℃，所用金属在Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金中选取；

(3)加压复合成型工序为：模具预热、多孔预制颗粒充填和预压、浇注液体金属、加压成型、脱模，其中模具预热温度为150-350℃，对充填的预制颗粒预压的压力为0.1-3MPa，加压成型的压力为2-15MPa；

(4)机械加工定形，采用机械加工方法将金属-颗料复合体加工成需要的形状及尺寸大小；

(5)后处理工序为：将经机械加工的定形件依次进行脱溶、净化、干燥处理。

2、根据权利要求1所述的泡沫金属制造方法，其特征在于后处理的脱溶是将定形件在清水溶液中浸泡、冲洗、脱水，反复循环多次，直至去除复合体中大部分易溶填料；净化是采用①清水净化，②冲洗、离心净化，③超声波净化，④化学品净化，⑤真空水环净化方法中若干种方法，以彻底去除多孔体微孔中残留的填料，干燥温度为100-250℃，以去除多孔金属孔隙骨架上附着的水份。

3、根据权利要求1所述的泡沫金属制造方法，其特征在于在金属-颗粒复合体加压成型时，在上面浇注一层给定厚度的该金属实体层。

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