CN113369477A - 一种孔隙率可调的多孔材料制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其是一种孔隙率可调的多孔材料制备方法；所述制备方法包括以下步骤：S1、将金属或合金粉末，与一定比例的高分子粘结剂均匀混合，制成粉末注射成形用喂料；S2、将喂料置于注射成型机内，经模具注射成形为注射坯；S3、将注射坯经过脱脂烧结，形成多孔材料；本发明中的不规则形状多边体金属或合金粉末振实密度低，相同重量情况下，比球形粉末所占体积更大，在制备喂料时，能够实现更低的粉末装载量，从而在相同烧结温度下，能够获得更高的孔隙率，且孔隙尺寸与分布更加均匀。

Description

一种孔隙率可调的多孔材料制备方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其是一种孔隙率可调的多孔材料制备方法。

背景技术

多孔金属材料内部弥散分布着大量的有方向性的或随机的孔洞，这些孔洞的直径约2um～3mm之间，根据孔洞的不同的设计要求，孔洞可以是泡沫型的，藕状型的，蜂窝型的等等。由于多孔金属材料具有比重小，刚性、比强度好，吸振、吸音性能好，同时兼具浸透性、通气性好等特点，因此多孔金属材料兼具结构材料与功能材料的特点，从而被广泛应用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程、电化学工程、环境保护工程等领域。

目前对于多孔材料的制备方法主要有以下几种：1）粉末冶金松散烧结法，该方法虽然能够制备多孔材料，但由于在松散状态下，粉末之间的孔隙分布及尺寸不均匀，导致所制备的多孔材料成品孔隙分布及尺寸同样分布不均；2）渗流法，该方法是将熔化的金属液注入置于模具型腔中的盐颗粒中，待冷却后去除盐颗粒从而形成多孔材料，该方法的缺点在于只能制备熔点低且熔化后流动性高的多孔金属材料，对于高熔点的铁基合金、不锈钢、钛合金、钴合金等难以采用该方法成形；3）发泡法，该方法是将造孔剂与金属粉末混合，利用造孔剂在高温下分解成气体，体积膨胀并且从金属粉末中逸出，实现多孔金属材料的制备，该方法中，由于造孔剂在高温下的分解膨胀，会对其周边的金属粉末形成挤压力，且造孔剂的分解后的逸出路径无法控制，易造成所制备的多孔金属材料内应力过大且孔隙尺寸分布不均。因此，目前行业内对于孔隙率均匀可控的多孔金属材料的制备仍缺乏行之有效的成熟方案。

发明内容

本发明的一个目的是：克服现有技术中的不足，提供一种孔隙率可调的多孔材料制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将金属或合金粉末，与一定比例的高分子粘结剂均匀混合，制成粉末注射成形用喂料；

S2、将喂料置于注射成型机内，经模具注射成形为注射坯；

S3、将注射坯经过脱脂烧结，形成多孔材料。

进一步的，步骤S1中所述的金属或合金粉末的形貌为不规则多边体粒径D50为10~50μm。

进一步的，步骤S1中所述的金属或合金粉末选自铁基合金、不锈钢、钛合金、铜合金、钴合金中的一种。

进一步的，步骤S1中所述的金属或合金粉末与高分子粘结剂的比例为：0.65≤V1/V2≤1.8，其中V1为金属或合金粉末的体积，V2为粘结剂的体积。

进一步的，所述高分子粘结剂质量百分含量组成如下：聚甲醛50~75%，聚乙烯10~20%，聚丙烯10~20%，硬脂酸5~10%。

进一步的，所述聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度为2-8。

进一步的，步骤S3中所述的烧结温度T，满足以下条件：0.6TL≤T≤0.95TL，其中TL为金属或合金的理论熔点温度，烧结保温时间为3~6h。

采用本发明的技术方案的有益效果是：

本发明中的不规则形状多边体金属或合金粉末振实密度低，相同重量情况下，比球形粉末所占体积更大，在制备喂料时，能够实现更低的粉末装载量，从而在相同烧结温度下，能够获得更高的孔隙率，且孔隙尺寸与分布更加均匀；

本发明中通过改变烧结温度，控制材料的收缩率，从而实现多孔材料孔隙率可调。当烧结温度T＜0.6TL时，由于金属或合金粉末之间难以形成烧结颈，达到冶金结合，因此制备的多孔金属材料强度太低，没有实用价值；当烧结温度T＞0.95TL时，由于金属或合金粉末接近熔点，形成了全致密材料，没有孔隙率。

附图说明

图1为本发明中的不规则形状金属粉末形貌图。

图2为孔隙率10.5%的金相组织图。

图3为孔隙率24%的金相组织图。

图4为孔隙率45%的金相组织图。

具体实施方式

现在结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明，但是这些实施例不是对本发明保护范围的限制。此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

本发明中的孔隙率可调的多孔材料制备方法，包括以下步骤：

S1、将金属或合金粉末，与一定比例的高分子粘结剂均匀混合，制成粉末注射成形用喂料；

S2、将喂料置于注射成型机内，经模具注射成形为注射坯；

S3、将注射坯经过脱脂烧结，形成多孔材料。

优选的，步骤S1中所述的金属或合金粉末的形貌为不规则多边体金属或合金粉末振实密度低，相同重量情况下，比球形粉末所占体积更大，在制备喂料时，能够实现更低的粉末装载量，从而在相同烧结温度下，能够获得更高的孔隙率，且孔隙尺寸与分布更加均匀；粒径D50为10~50μm。

此处，需要指出的是：本领域技术人员可以理解的是：粉末的振实密度跟粉末粒径大小及粒径分布相关，且目前还没有振实密度跟粉末形貌的相关性研究，所以，本申请的发明人在进行创造性的实验过程中发现：金属或合金粉末的形貌为不规则多边体金属或合金粉末振实密度低，相同重量情况下，比球形粉末所占体积更大，在制备喂料时，能够实现更低的粉末装载量，从而在相同烧结温度下，能够获得更高的孔隙率，且孔隙尺寸与分布更加均匀，所以，选择不规则多边体金属或合金粉末与粘合剂按一定体积比混合，然后注射成型烧结得到多孔材料具有创造性。本发明中所提到的振实密度是指与球形粉末粒径相当的情况下，振实密度更低。

优选的，步骤S1中所述的金属或合金粉末包括铁基合金、不锈钢、钛合金、铜合金、钴合金中的一种。其他适用于粉末注射成形的金属材料也可以用于制备多孔材料，本发明中不再穷举。

优选的，步骤S1中所述的金属或合金粉末与高分子粘结剂的比例为：0.65≤V1/V2≤1.8，其中V1为金属或合金粉末的体积，V2为粘结剂的体积，通过控制金属或合金粉末与高分子粘结剂的比例来调节孔隙率。

具体的，高分子粘结剂质量百分含量组成如下：聚甲醛50~75%，聚乙烯10~20%，聚丙烯10~20%，硬脂酸5~10%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度为2-8，本发明中的聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯和硬脂酸均为普通市售，对其具体的厂家型号没有要求，所以本发明中不再一一列举。

优选的，步骤S3中所述的烧结温度T满足以下条件：0.6TL≤T≤0.95TL，其中TL为金属或合金的理论熔点温度，本步骤中采用恒温烧结，保温时间为3-6h。本发明中通过改变烧结温度，控制材料的收缩率，从而实现多孔材料孔隙率可调。当烧结温度T＜0.6TL时，由于金属或合金粉末之间难以形成烧结颈，达到冶金结合，因此制备的多孔金属材料强度太低，没有实用价值；当烧结温度T＞0.95TL时，由于金属或合金粉末接近熔点，形成了全致密材料，没有孔隙率。

实施例1

采用D50为34μm的不规则形状多边体316不锈钢粉末，不规则形状金属粉末形貌图见图1，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=0.8进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别采用1150℃、1280℃和1368℃进行恒温烧结，烧结保温时间6h，获得了孔隙率分别为45%、24%和10.5%的多孔不锈钢材料。所得多孔烧结材料的金相组织图分别见图4、图3和图2。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛70%，聚乙烯12%，聚丙烯11%，硬脂酸7%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、4、3。

对比例1

采用D50为34μm的球形不锈钢粉末，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=0.8进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别在1150℃、1280℃和1368℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为6h，获得了孔隙率分别为9.3%、4.1%和0.9%的不锈钢材料，相同条件下孔隙率远低于实施例1。

实施例1和对比例1中的数据表明，在相同的工艺参数下，采用不规则形状多边体不锈钢粉末制得的多孔材料的孔隙率显著高于球形不锈钢粉末。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛70%，聚乙烯12%，聚丙烯11%，硬脂酸7%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、4、3。

对比例2

采用D50为34μm的不规则多边体不锈钢粉末，采用粉末压制成型工艺制备成压制坯，压制力控制在200MPa/cm²，将压制坯分别在1150℃、1280℃和1368℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为6h，获得了孔隙率分别为8.5%、3.8%和1.2%的不锈钢材料，相同条件下孔隙率远低于实施例1。

实施例2

采用D50为34μm的不规则形状多边体316不锈钢粉末，不规则形状金属粉末形貌图见图1，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=1.63进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别采用1150℃、1280℃和1368℃进行恒温烧结，烧结保温时间6h，获得了孔隙率分别为43.0%、20.0%和8.7%的多孔不锈钢材料。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛70%，聚乙烯12%，聚丙烯11%，硬脂酸7%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、4、3。

实施例3

采用D50为45μm的钴合金粉末，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=0.65进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别在1100℃、1250℃和1400℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为3h，获得了孔隙率分别为60%、35%和13%的多孔钴合金材料。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛53%，聚乙烯18%，聚丙烯20%，硬脂酸9%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、5、8。

实施例4

采用D50为15μm的铜合金粉末，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=1.8进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别在750℃、900℃和1000℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为4h，获得了孔隙率分别为63%、32%和11%的多孔铜合金材料。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛73%，聚乙烯11%，聚丙烯10%，硬脂酸6%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为5、2、8。

实施例5

采用D50为10μm的铁基合金粉末，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=1.27进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别在1135℃、1250℃和1380℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为5h,获得了孔隙率分别为56%、35%和13%的多孔铁基合金材料。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛75%，聚乙烯10%，聚丙烯10%，硬脂酸5%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、2、4。

对比例3

采用D50为10μm球形粉末铁基合金粉末，按照金属粉末与高分子粘结剂体积比为V1/V2=1.27进行混合制备成注射成形喂料，然后经注射形成注射坯，将注射坯脱脂后，分别在1135℃、1250℃和1380℃进行恒温烧结，烧结保温时间均为5h，所获得的材料孔隙率分别为8.5%、4.6%和0.4%，相同条件下孔隙率远低于实施例5。

本实施例中的高分子粘结剂的质量百分含量组成如下：聚甲醛75%，聚乙烯10%，聚丙烯10%，硬脂酸5%；聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度分别为6、2、4。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (7)

1.一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

S1、将金属或合金粉末，与一定比例的高分子粘结剂均匀混合，制成粉末注射成形用喂料；

S2、将喂料置于注射成型机内，经模具注射成形为注射坯；

S3、将注射坯经过脱脂烧结，形成多孔材料。

2.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于：步骤S1中所述的金属或合金粉末的形貌为不规则多边体，粒径D50为10~50μm。

3.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于：步骤S1中所述的金属或合金粉末选自铁基合金、不锈钢、钛合金、铜合金、钴合金中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于，步骤S1中所述的金属或合金粉末与高分子粘结剂的比例为：0.65≤V1/V2≤1.8，其中V1为金属或合金粉末的体积，V2为粘结剂的体积。

5.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于：所述高分子粘结剂质量百分含量组成如下：聚甲醛50~75%，聚乙烯10~20%，聚丙烯10~20%，硬脂酸5~10%。

6.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于：所述聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯的聚合度为2-8。

7.根据权利要求1所述的一种孔隙率可调的多孔材料制备方法，其特征在于：步骤S3中所述的烧结温度T，满足以下条件：0.6TL≤T≤0.95TL，其中TL为金属或合金的理论熔点温度，烧结保温时间为3~6h。

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