CN111390176A - 一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其主要包括以下步骤：A.物料混合；B.预热：对挤压成形容器进行预热至第一预定温度；C.挤压成形：物料被转移至挤压成形容器中，继续对挤压缸以第二预定温度进行升温并加压，对物料进行挤压成形处理；D.将物料成形剪裁为小的发泡前驱体；E.发泡:将步骤D中的发泡前驱体放入发泡炉，进行发泡，制得成品。本发明还提供了一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺的装置。本发明通过改进泡沫金属的制造工艺，于挤压成形组件设置加热装置，制成预发泡的坯体，有效控制物料中发泡剂粉末持续放出气体的温度，配合在金属熔化状态，提高形成稳定的闭合式泡沫状结构。
Description
技术领域
本发明涉及一种泡沫金属的制造工艺，特别涉及一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺及装置。
背景技术
泡沫金属是一种超轻量代的金属材料，其具有多孔结构，孔隙率最高可达到百分之七十五至百分之九十五。泡沫金属的复合结构具有高抗压强度和良好的能量吸收能力，它的物理性质包括硬度、导电性、传热性等，都会近似它的组成金属。泡沫金属的多孔复杂结构及力学特性，使其可以应用到多个领域，例如：催化剂载体，热交换器，高温过滤器、电磁吸收器、冲击吸收器等等。泡沫金属因其优良重量体积比、高隔音能力、高冲击吸收力等独特优点，具有极大潜力成为汽车零部件的优质材料，且已经在国外开始作商业使用。降低汽车零部件的重量，可以减少运输时的不可再生能源消耗，有利于环保，减少化石燃油所产生的空气污染。
现有的泡沫金属的主要制备方法可以分为四大类：熔体法、金属沉积法、铸造法和粉末冶金法。其中粉末冶金法制备的泡沫金属由于零件最终成形的能力和材料利用率高等特性，具有应用于金属零部件生产领域的优势。粉末冶金法制备工艺中，参阅图1和图2所示，是现有的传统方法直接压制大尺寸的泡沫金属制备工艺流程图，图2应用于该工艺的装置示意图。首先将金属粉末及发泡剂粉末混合物料5经由送料器2送入挤压缸1内，在挤压缸1里面的挤压柱3及挤压柱头4会把物料5推到挤压缸1的成形部6出口处。物料进入预成形模具8，物料累积形成物料堆9，达到一定量后，剪裁部7会把物料裁剪并且挡住成形部6出口，令物料不能再进入预成形模具8。模具的形状是最终泡沬金属部件需求的大小和形状，在压力施放完毕后，顶针10下降，从中取中已压成预设形状的物料堆放到发泡炉11里的发泡模具13。经过发泡过程后，物料堆会形成泡沫金属部件12。这种工艺中，需要额外设计出与发泡炉相同的预成形模具，而且预成形模具的工艺也较为复杂，生产成本居高不下。
本申请人在先申请的中国发明专利申请CN108057891A公开了一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺及装置。如图3和图4是其工艺流程图和装置示意图，其与前述的工艺的不同之处是物料不会进入预设成形模具中，而是被切料器切成小型物料粒14，所以不需要制作一个预设成形模具，而是只需要一个发泡模具。小型物料粒堆15在经过发泡过程后，便能形成一件完整的泡沫金属部件。此发明专利申请中，提出了使用小圆柱物料块代替大尺寸的坯体，极大地提高了空间利用率和设备利用率，使粉末冶金制备泡沫金属的生产变得更有效率。可是小圆柱物料块在加热的初始阶段可能出现发泡分布不平均的情况，包括坯料块结合融合出现不规则，不能有效地形成发泡状的结构。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其在压制和挤压的过程中添加热处理工艺，可以有效提升泡沫金属的质量。
为解决上述技术问题，本发明所要解决的技术方案是：一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其主要包括以下步骤：
A.混合：将金属粉末和发泡剂粉末置于混合容器中，在混合容器中对两者进行搅拌混匀；
B.预热：对挤压成形容器进行预热至第一预定温度；
C.挤压成形：步骤A中混合完成的物料被转移至步骤B中预热的挤压成形容器中，继续对挤压缸以第二预定温度进行升温并加压，对物料进行挤压成形处理；
D.成形剪裁:步骤C中挤压成形的坯体，将其剪断为小的发泡前驱体；
E.发泡:将步骤D中的发泡前驱体放入发泡炉，进行发泡，制得成品。
进一步，所述金属粉末的粒度小于250目，发泡剂粉末的粒度小于300目。
进一步，所述发泡剂粉末的热分解温度低于金属粉末的熔点。
进一步，所述步骤B中第一预定温度约为发泡剂粉末的热分解温度的一半。
进一步，所述步骤C中第二预定温度接近并低于所述发泡剂粉末的热分解温度20-40℃。
进一步，所述步骤C的加压的压力为30—40MPa。
本发明还提供了一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺的装置，所述装置包括供料组件、混合组件、挤压成形组件和发泡定型组件，所述挤压成形组件包括挤压缸、加压柱、成形部和剪裁部，其特征在于，挤压缸外侧面设置有第一加热装置，所述第一加热装置包括第一加热器和第一加热控制器。
进一步，所述供料组件包括金属粉末供料单元和发泡剂粉末供料单元，所述供料组件连接至混合组件相连；所述混合组件包括混合釜和搅拌装置；所述混合组件连接至挤压成形组件；所述发泡定形组件主要包括上模组、下模组以及第二加热装置，上模组与升降装置相连接，上模组和下模组之间设有模腔，所述上模组和下模组设置第二加热装置，所述第二加热装置包括第二加热器和第二加热控制器。
进一步，所述第一和第二加热器为陶瓷加热器、远红外线加热器、电磁式加热器、电阻式加热器、列管式换热器或油罐局部快速加热器，所述第一和第二加热装置还包括温度传感器。
本发明所能达到的有益效果是：
本发明通过改进粉末冶金的工艺设计，于挤压成形组件设置加热装置，制成预发泡的坯体或物料，有效控制物料中发泡剂粉末持续放出气体的温度，配合在金属熔化状态，提高形成稳定的闭合式泡沫状结构，直至发泡加热过程完结。
本发明在以特定升温曲线进行热压或热挤工艺使预发泡坯体或物料表面的残留的发泡剂粉末钝化、抑制其活性，使发泡加热过程中让物料内外膨胀程度一致，提高整体发泡均匀度，减少发泡失败的情况。
本发明在以挤压物料的过程时配合可编程加温装置，使产出物料致密度提高，锁住物料在发泡时膨胀的气体，避免物料在模腔形成填充缺陷，从而获得了一种孔洞大小和分布更平均的泡沫金属。
附图说明
图1为现有技术中直接压制大尺寸泡沫金属制造工艺流程图。
图2为现有技术中直接压制大尺寸泡沫金属制造装置示意图。
图3为现有技术基于小尺寸发泡前驱体的泡沫金属制造工艺流程图。
图4为现有技术基于小尺寸发泡前驱体的泡沫金属制造装置示意图。
图5为根据本发明实施例的泡沫金属制备工艺流程图。
图6为根据本发明实施例的泡沫金属制备装置示意图。
图7为根据本发明实施例的发泡炉加热温度曲线示意图。
图8为根据本发明实施例制备的泡沫金属断面示意图。
图9为根据现有技术基于小尺寸发泡前驱体的泡沫金属制造工艺制造的泡沫金属断面示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下结合附图对本申请的技术方案进行详细说明。
参阅图5、图6所示，是根据本发明实施例的泡沫金属制备工艺流程图和装置示意图。本发明与现有技术的最主要区别是于挤压成形组件的挤压缸1内壁设置第一加热装置，该第一加热装置包括第一加热器24和第一加热器控制装置。也就是说，在挤压成形之前，先对挤压成形组件以第一预定温度进行预热，在混合物料进入挤压成形组件后，再对混合物料以第二预定温度进行加热并加压，该过程称为预发泡程序。第一预定温度约为发泡剂粉末的热分解温度的一半，预热的目的是让热力传递到整个挤压成形组件。第二预定温度接近并低于所述发泡剂粉末的热分解温度20-40℃，目的是尽量提高坯体的温度但不会令发泡剂粉末过早分解。具体的整体装置细节参考本申请人在先提交的CN108057891A专利申请，包括供料组件(图中未示出)、混合组件(图中未示出)、挤压成形组件和发泡组件，其中成形组件包括挤压缸1、送料器2、挤压柱3、成形部6，剪裁部7和第一加热装置，其中第一加热装置包括设置于挤压缸1内壁的陶瓷加热管16，热电偶温度传感器17，PID控制器18，可控硅19和供电器20，依次电连接。该加热装置按照本领域技术人员所熟知的方式设计。其中热电偶温度传感器17连接陶瓷加热管16并探测物料加热的实时温度，再把探测到的温度信息传送至连接的PID控制器18。PID控制器18把收集到的温度和第二预定温度作比较，计算新的输入值并传送到可控硅19，可控硅通过改变提供加热器20的电流，令供电器20的输出改变，控制陶瓷加热管16的升温率，令陶瓷加热管16的输出温度保持在第二预定温度。
在挤压成形组件中形成的预发泡坯体被裁剪成小坯体，多个小坯体被放入发泡定形组件中正式进行发泡。所述发泡定形组件主要包括上模组、下模组以及第二加热装置，上模组和下模组之间设有模腔，所述上模组和下模组设置第二加热装置，所述第二加热装置包括第二加热器和第二加热控制器。第二加热器为陶瓷加热管设置于上模组和下模组，第二加热控制器包括热电偶温度传感器21，控制器22和定时器23。本申请的发泡程序也与现有技术有所区别，其加热方法采取两段式的加热方法，首先加热至一个较低的温度，再以一个更高的加热率加热至最终的温度。所以当探测到温度已到达第一温度后，会维持在那一个温度一段时，然后需要提高发泡炉的输出，令它可以快速到达最终的温度。然后快速降温，形成均匀结构的泡沫金属。
本发明的第一加热控制装置和第二加热装置可以采用本领域技术人员熟知的加热器和加热控制装置，以较为精确地的控制加热温度，达到最优的发泡效果。
以下以铝6061合金和氢化钛为原料制备铝合金泡沫金属为实施例，具体说明本发明的制备工艺，包括以下步骤：
A.原料准备：准备粒度为200目的铝6061合金粉末和粒度为250目的氢化钛，发泡剂粉末的质量是金属粉末的5％。其中氢化钛为发泡剂粉末，其热分解温度约为459℃，铝6061合金粉末的固相温度约为582℃。
B.物料的混合：物料的混合和早前专利的方法无异，铝6061合金粉末和氢化钛粉末分别经供料组件(图中未示出)进入混合组件(图中未示出)中。
C.挤压成形组件的预热：在物料进入挤压成形组件之前，首先对挤压缸利用设置在其内壁的陶瓷加热管进行预热至第一预定温度，本实施例中第一预定温度为200℃，预热的目的是让热力传递到整个挤压成形组件。
D.挤压成形：将步骤A中的混合物料通过送料器2投入预热好的挤压成形容器中，挤压成形容易加压同时升温，升温至第二预定温度450℃，这个温度非常接近氢化钛的气体分解温度，目的是尽量提高温度但不会令发泡剂粉末过早分解。把热电偶温度传感器测量混合物料的实时温度。PID控制器和热电偶的组合只能成为检视实际温度和预设温度的差异，不能作为反馈机制调整电源的输出，因此需要把热电偶连接至可控硅，可控硅的作用是实时温度和预设温度的差异释出讯号。一开始加热，因为实际温度和设温度的差距巨大，可控硅会释出加强输出的讯号，加热器的加热率提升。当温度接近450℃时，可控硅会释出减少轮出的讯号，令加热器的加热率减低。同样当温度达到450℃，温度会因环境影响而有改变，为了把温度保持在预设温度，可控硅会不断因应温度的改变而调整加热的输出。
挤压的压力因应坯体的直径的大小而改变。以12mm直径的坯体为例，所需要的压力为40MPa，以这个压力挤压坯体可以令坯体呈向致密的结构，令发泡时的最大发泡率提升。当压力为40MPa时，坯体的发泡率可以达至最大80％，当压力30-40MPa时，最大发泡率最大只有大约66％，当压力小于30MPa时，则会因为密度不足而令发泡失败。压力大于40MPa时，理论上坯体的密度可以进一步提升，但同时会令组件的损耗过大，不是一个经济的做法。通常来说，以一般挤压缸的直径为40mm为例，这里挤压缸出口处直径大约是10至15mm，这大小能令坯体的表面受到挤压的压力，令表面在挤出后己有一定的强度，一般坯体粒旳大小为直径10至15mm，厚度大约为5至8mm，厚度能因应发泡模具的大小而调整。
加压时的加热时间会影响粉末表面团聚的效果。本实施例中，在450℃下，会在受到40MPa压力下加热10分钟，在没有压力下继续加热半个小时。这样可以令粉末的表面团聚，粉末和粉末之间的连结更强，在发泡部件的孔隙度能提，孔隙的大小也更平均。这样的条件下，粉末的表面团聚，粉末和粉末之间的连结更强，本实施例中，能的到最大60％的孔隙，而孔隙的大小大约是1-8mm。
E.成形剪裁：将步骤C中的物料进行剪裁为小的发泡前驱体；
F.发泡：将步骤E中的小的发泡前驱体填充在发泡模具中。根据金属的特性，本发明采用如图7的发泡加热曲线。图中所示X轴为发泡时间、Y轴为发泡温度。本发明的发泡方式要求发泡剂粉末的热分解温度Tdec必须低于金属粉末的固相温度点Tsol，原因是在加热过程中，发泡剂粉末分解出气体的时候，金属粉末需要处于仍是固体的状态，令发泡反应不会过早发生；把炉加热至金属粉末的固相温度后，把加热率提高，令粉末由固体转化至液体的时间尽量减少，直至温度到达金属粉末的液相温度Tliq；把温度保持在Tliq，此时粉末处于液体状态，发泡剂粉末分解的气体会在液体中形成气泡；温度保持的时间大约是一分钟，实际需要的时间需要因应使用的材料而改变；在保温结束后，把已发泡的金属急速降温；需要把发泡金属急冷的原因，是防止发泡金属的结构倒塌，急冷能使发泡金属保持发泡的状态。
在发泡加热的过程中，发泡炉电热偶温度传感器21连接着发泡炉，探测加热时的实时温度，并传送给发泡炉输出的控制器22和发泡炉的定时器23。异于以往的发泡加热方法，以铝6061合金和氢化钛作为实施例说明发泡加热的过程。把挤压好的坯体粒放进发泡炉后，把加热以每分钟5℃的速度加热452℃，这是氢化钛的气体分解温度，过了这个温度，氢化钛便会始开始分解，所以之后便需要提升加热率，令金属粉末进入半液体的状态，被分解的气体膨涨，然后以每分钟10℃的速度加热至582℃，这是铝6061合金的固相温度，金属粉末开始熔化，与分解出的气体反应，发生发泡现象。接着再以每分钟20℃的速度加热至652℃，是铝6061合金的液相温度，在这个温度金属粉末会完全成为液体，也是在这个时间达到最大的发泡反应，在这温度保持大约1分钟的时间后，需要急速冷却已发泡的金属，方法可以是立即切断发泡炉的电源，或都是把发泡金属从炉中取走。急速次却的原因是防止发泡金属的结构在发泡反应的最后倒塌，急速冷是停止发泡反应，令发泡金属保持在发泡的结构。
图8为根据本发明的实施例制备的泡沫金属的断面图，图9是使用前述传统物料方法备的发泡金属，从图中可见金属泡沫的分布不平均，较大的孔洞出现在物料中央，物料间结合不理想。这情况是由于在发泡升温时，金属外层泡沬的气体过早放出，而令金属外层泡沬收缩比较快，最后只形成了中央的孔洞。而使用本发明方法制备的发泡金属，从图8中可见，泡沬金属部件的孔洞分布和大小也较传统方法的平均，因为在挤压的过程中加入的热处理工艺，能使物料的表层钝化、抑制其活性，能有效控制发泡膨胀的程度，形成更稳定的气泡，获得孔洞更平均的泡沬金属部件。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其主要包括以下步骤：
A.混合：将金属粉末和发泡剂粉末置于混合容器中，在混合容器中进行搅拌混匀；
B.预热：对挤压成形容器进行预热至第一预定温度；
C.挤压成形：步骤A中混合完成的物料被转移至步骤B中预热的挤压成形容器中，继续对挤压缸以第二预定温度进行升温并加压，对物料进行挤压成形处理；
D.剪裁：将步骤C中挤压成形的坯体剪断为小的发泡前驱体；
E.发泡:将步骤D中的发泡前驱体放入发泡炉，进行发泡，制得成品。
2.根据权利要求1所述的一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其特征在于：所述金属粉末的粒度小于250目，发泡剂粉末的粒度小于300目。
3.根据权利要求1所述的一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其特征在于：所述发泡剂粉末的热分解温度低于金属粉末的熔点。
4.根据权利要求1所述的一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其特征在于：所述步骤B中第一预定温度约为发泡剂粉末的热分解温度的一半。
5.根据权利要求1所述的一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其特征在于：所述步骤C中第二预定温度接近并低于所述发泡剂粉末的热分解温度20-40℃。
6.根据权利要求1所述的一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺，其特征在于：所述步骤C的加压的压力为30—40MPa。
7.一种应用于权利要求1-6中任意一种基于粉末冶金及挤压技术的泡沫金属制造工艺的装置，所述装置包括供料组件、混合组件、挤压成形组件和发泡定型组件，所述挤压成形组件包括挤压缸、加压柱、成形部和剪裁部，其特征在于，挤压成形组件设置有第一加热装置，所述第一加热装置包括第一加热器和第一加热控制器，所述第一加热器设置于所述挤压缸内壁。
8.一种如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述供料组件连接至混合组件相连；所述混合组件连接至挤压成形组件；所述发泡定形组件主要包括上模组、下模组以及第二加热装置，上模组和下模组之间设有模腔，所述第二加热装置包括第二加热器和第二加热控制器，所述第二加热器设置于所述上模组和下模组。
9.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于所述第一和第二加热器为陶瓷加热器、远红外线加热器、电磁式加热器、电阻式加热器、列管式换热器或油罐局部快速加热器。
10.根据权利要求8所述的加热装置，其特征在于，所述第一和第二加热装置还包括温度传感器。
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