CN114273657A - 金属泡沫挤出方法和由其制造的制品 - Google Patents

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Abstract

一种在导管中制造泡沫的方法,包括挤压金属导管。将金属泡沫粉末注入金属导管的空腔中。金属泡沫粉末被活化,以在金属导管的空腔中形成金属泡沫。一种用于制造泡沫金属的装置,包括挤出机,该挤出机包括一个或多个螺杆,用于通过模具挤出金属,以形成导管。模具包括多个端口,用于将金属泡沫粉末注射到导管的中央空腔或壁空腔中。该装置包括用于增加金属泡沫粉末上的压力的加压部分和用于增加金属泡沫粉末的温度以促进其膨胀成金属泡沫的加热部分。

Description

金属泡沫挤出方法和由其制造的制品
技术领域
本公开涉及金属泡沫挤出的方法和由其制造的制品。具体而言,本公开涉及一种在导管内部或作为导管壁的一部分来挤出金属泡沫的方法。
背景技术
泡沫金属通常用于制造运输人员或货物的车辆的增强部件。这种车辆包括汽车、自行车和摩托车、机车、飞机、轮船和船只等。这种加固允许更大的能量吸收,从而减少对车辆及其乘员的损害。
期望改进金属发泡工艺,以使该工艺更有效且更便宜,同时提高车辆中使用的部件的冲击吸收能力。
发明内容
在一个实施例中,用于在导管中制造泡沫的方法包括挤压金属导管。将金属泡沫粉末注入金属导管的空腔中。金属泡沫粉末被活化以在金属导管的空腔中形成金属泡沫。
在另一个实施例中,空腔是相对于导管壁(一个或多个)同心定位的中央空腔。
在又一个实施例中,空腔是相对于导管壁(一个或多个)偏心设置的中央空腔。
在又一实施例中,空腔是位于金属导管的内壁和外壁之间的壁空腔。
在又一实施例中,金属导管和金属泡沫包括相同的金属。
在又一实施例中,金属导管包括不同于金属泡沫的金属。
在又一个实施例中,活化包括提高金属泡沫粉末的温度和/或压力。
在又一实施例中,温度为200至650℃。
在又一个实施例中,在挤出过程中,通过位于挤出机模具处且位于导管内部的感应线圈来促进温度的升高。
在另一个实施例中,压力的增加是通过压头来实现的,该压头进入导管并与挤出物的行进方向相反地行进。
在又一实施例中,金属导管和金属泡沫包括铝。
在一个实施例中,用于制造泡沫金属的装置包括挤出机,该挤出机包括一个或多个螺杆,用于通过模具挤出金属,以形成导管。模具包括多个端口,用于将金属泡沫粉末注射到导管的中央空腔或壁空腔中。该装置包括用于增加金属泡沫粉末上的压力的加压部分和用于增加金属泡沫粉末的温度以促进其膨胀成金属泡沫的加热部分。
在一个实施例中,加压部分包括沿与挤出物相反的方向行进的辊磨机或压头。
在又一实施例中,加热部分包括对流炉或感应线圈。
在又一实施例中,感应线圈靠近模具。
在一个实施例中,物品包括含有第一金属的导管。导管包括一个或多个空腔。至少一个空腔包含金属泡沫。导管壁包围着金属泡沫。金属泡沫包括第二金属。
在一个实施例中,第一金属与第二金属相同。
在又一实施例中,第一金属和第二金属是铝。
在又一实施例中,一个或多个空腔位于导管的内壁和外壁之间。
在又一实施例中,一个或多个空腔相对于导管壁同心定位。
当结合附图时,根据以下详细描述,本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
其他特征、优点和细节仅作为示例出现在以下详细描述中,详细描述参考附图,其中:
图1是其空腔填充有金属泡沫的导管的示例性图示;
图2描述了制造导管的示例性过程,该导管的中央空腔填充有金属泡沫;和
图3描绘了用于制造壁空腔填充有金属泡沫的导管的另一示例性过程。
具体实施方式
以下描述本质上仅仅是示例性的,并不旨在限制本公开、其应用或使用。
本文公开了一种制造被金属外皮包围的金属泡沫的方法。金属外皮优选形成围绕泡沫的壁并封装泡沫。在一个实施例中,金属外皮是包含泡沫的导管壁;该泡沫位于导管的中央空腔中。在另一个实施例中,泡沫可以包含在导管壁中的空腔中(以下称为“壁空腔”)。在另一个实施例中,泡沫可以位于导管的中央空腔中、壁空腔中以及中央空腔和壁空腔二者中。金属泡沫的密度为未发泡金属密度的3百分比至15百分比,并且可以具有或不具有与导管壁相同的金属成分。
该方法包括挤压具有包含泡沫的一个或多个空腔的导管。导管的挤压和空腔中金属的发泡同时发生。通过将金属泡沫粉末注射到导管的一个或多个空腔中,并通过使用热和压力的组合来活化金属泡沫粉末,从而发生发泡。
图1描绘了示例性导管100,其包括位于导管100的中央空腔102以及壁空腔104中的泡沫106。导管可以具有几何形状为圆形、椭圆形、正方形、三角形、矩形、多边形或其组合的横截面。如果需要,它也可以具有不规则的横截面几何形状。虽然图1将泡沫描绘为设置在中央空腔102以及壁空腔104中,但是应当注意,泡沫可以根据需要位于这些位置中的一个或多个。中央空腔102相对于导管壁(一个或多个)同心定位。中央空腔102也可以相对于导管壁(一个或多个)偏心定位。导管优选由第一金属制成,而泡沫由第二金属制成。第一金属可以与第二金属相同或不同。在优选实施例中,第一金属与第二金属相同。
当第一金属不同于第二金属时,希望第一金属(形成导管壁)的熔点高于第二金属(形成泡沫)的熔点。
现在再次参考图1,导管100可以分成内壁103和外壁105,并且内壁和外壁之间的壁空腔104可以填充有泡沫106。导管100的划分将在后面详细讨论。应当注意,中央空腔102中的泡沫106可以与壁空腔104中的泡沫相同或不同。例如,中央空腔102可以包含不同于包含在壁空腔104中的第二金属泡沫的第一金属泡沫。
在另一个实施例中,导管100可以分成多个壁(2个或更多个壁),其中一些或全部可以填充金属泡沫。例如,导管可以分成内壁、外壁和2至5个中间壁(中间壁位于内壁和外壁之间),如果需要,其间的空腔填充有金属泡沫。
在一个实施例中,发泡的第一金属和/或发泡的第二金属可以包含额外的发泡聚合物。聚合物泡沫的平均孔径优选小于金属泡沫的平均孔径。泡沫金属中泡沫聚合物的存在提高了由金属泡沫制造的任何部件的冲击吸收能力。
第一金属和第二金属包括过渡金属或包含过渡金属的合金。这里所指的金属优选为其元素形式。合适的第一金属和/或第二金属的例子包括铁、铝、铜、钛、钨、镍、钴、锡、铅、硅、镁、锰、钒、钼、镓、铟、铊、金、银等,或它们的组合。在一个实施例中,铝是优选的第一金属。在另一个实施例中,铝也是优选的第二金属。
合金也可以被挤压成包含金属泡沫的导管。合适的合金是不锈钢、碳钢、钛铝合金、铁合金、硼铁、铬铁(铬)、铁镁、锰铁、钼铁、镍铁、磷铁、钛铁、钒铁、硅铁、铝-锂(铝、锂、有时还有汞)、铝镍钴(铝、镍、铜)、硬铝(铜、铝)、镁铝(铝、5百分比镁)、马格努斯(Magnox)(氧化镁、铝)、纳姆贝(Nambe)(铝加七种其他未指明的金属)、硅铝(铝、硅)、比隆(Billon)(铜、银)、黄铜(铜、锌)、炉甘石黄铜(Calamine brass)(铜、锌)、中国银(铜、锌)、荷兰金属(Dutch metal)(铜、锌)、镀金金属(铜、锌)、蒙茨金属(Muntz metal)(铜、锌)、平克贝克(Pinchbeck)(铜、锌)、普林斯金属(Prince's metal)(铜、锌)、托姆巴克(Tombac)(铜、锌)、青铜(铜、锡、铝或任何其他元素)、阿卢尔(Alumel)(镍、锰、铝、硅)、铬镍合金(镍、铬)、白铜(Cupronickel)(镍、青铜、铜)、德国银(German silver)(镍、铜、锌)、哈氏合金(Hastelloy)(镍、钼、铬,有时还有钨)、铬镍铁合金(镍、铬、铁)、蒙乃尔合金(Monel metal)(铜、镍、铁、锰)、μ金属(镍、铁)、镍-碳(镍、碳)、镍铬合金(铬、铁、镍)、镍铬合金(镍、铬、硅、镁)、Nisil(镍、硅)、镍钛诺(镍、钛、形状记忆合金)。
用于导管100和其中包含的泡沫106的优选金属是铝。
金属泡沫可以包括开孔(open cell)、闭孔(closed cell)或它们的组合。在一个实施例中,金属泡沫可包括5至95体积百分比,优选20至80体积百分比的开孔,其余为闭孔。
金属泡沫优选包括多个开孔。泡沫还具有一些设置在开孔之间的闭孔。然而,金属泡沫中的大多数泡孔是开孔的。对于给定的密度,开孔泡沫为泡沫提供了更高的能量吸收特性。
在一个实施方案中,至少80%的泡孔是开孔,优选至少90%的泡孔是开孔,更优选至少95%的泡孔是开孔。金属泡沫的平均孔径为0.5微米至10毫米,优选50微米至5毫米,更优选100微米至2毫米。基于金属泡沫的总体积,金属泡沫的体积孔隙率为50至95体积百分比,优选70至90体积百分比。
优选的铝泡沫的密度为0.069至0.54克/立方厘米,平均孔径为25μm至3μm,壁厚为50至85μm。平均泡孔尺寸与平均泡孔壁厚和密度成反比。
金属泡沫106由金属泡沫粉末制成。金属泡沫粉末可以包括a)具有发泡剂的金属粉末,和/或b)金属空心球,其包含其上设置有金属粉末-粘合剂(powder-binder)悬浮物的有机球。下面详细介绍了其中的每一项。
当熔融金属的粘度适当建立时,通过向熔融金属中加入发泡剂获得金属泡沫。发泡剂通常是金属氢化物的粉末,如TiH2,当加热到400℃以上时分解形成氢气。分解温度在280至600℃之间的其他金属氢化物,例如锆和镁氢化物,也可用作发泡剂。
当发泡剂与熔融金属接触时,熔融金属立即分解,因此没有足够的时间来实现气体形成颗粒的均匀分布。
有色金属泡沫使用传统的发泡剂和金属粉末。商业上可获得的粉末(例如铝、锌、锡或铅)通过常规方式与发泡剂混合,例如鼓式混合器。混合后,粉末混合物被压实,得到致密的、几乎无孔的物体。可以采用几种压实方法,如单轴压制、粉末挤压甚至辊压。当这种致密物被加热到熔点附近的温度时,它会膨胀成一种高度多孔的带孔体(cellular body)。各种发泡剂已被证明能产生良好的效果。
所用的发泡剂包括金属氢化物,如钛、锆和镁氢化物,其分解温度在280至600℃之间。
金属空心球(Metallic hollow sphere:MHS)泡沫结构提供了一种新的泡沫金属。该技术确保了单孔到单个MHS的受控制造和定制部件的可再现结构。首先在球形基底上进行各种金属(如镍、钴和铜)的电沉积。
一种主要由泡沫聚苯乙烯制成的有机球形基底被用作成孔底涂层(cell-formingundercoat)。金属粉末-粘合剂悬浮液被雾化到有机球体基底的外部。热处理过程产生金属泡沫,同时通过随后的热处理去除粘合剂和有机球体基底。有几种方法可以将单个空心球合并成MHS部件,包括烧结、铜焊和粘接。
金属泡沫粉末在挤压过程中被注射到适当的空腔中,并通过使用适当的高温和高压被转化成金属泡沫。
图2和图3描述了在导管中制造金属泡沫的示例性过程。图2描述了使用挤出机202制造导管100的示例性过程,导管100的中央空腔102(由导管壁104界定)填充有金属泡沫106。挤出机具有附接到其上的模具204,这有助于导管100的挤出。如箭头所示,挤出物500的行进方向是从右向左(面对纸张的观察者)。模具204包含端口206,通过端口206,金属泡沫粉末101可以被供给到导管100的内部102。模具204还可以设置有单独的加热装置,例如感应线圈208,其可以加热金属泡沫粉末101以产生金属泡沫106。或者,挤出物(导管100)可以经过对流炉210,对流炉210加热金属泡沫粉末101以将其转化为导管100中的金属泡沫106。可通过导管100的开口端对导管中的金属泡沫粉末施加压力212,以促进发泡过程。例如,柱塞或压头(未示出)可以被引导为在导管内部从导管的开口端朝向挤出机对金属泡沫粉末施加压力,从而将其转化为金属泡沫。换句话说,泡沫粉末上的压力增加是通过进入导管并与挤出物的行进方向相反地行进的压头来实现的。对金属泡沫粉末101施加高温和高压会将其转化为金属泡沫106。
金属泡沫106通过将金属泡沫粉末101加热至200至640℃,优选250至620℃,更优选300至600℃的温度来制造。
20至120千帕,优选30至100千帕的压力可以施加到导管的中央空腔中的金属泡沫粉末上,以将其转化为金属泡沫。
图3描述了制造导管100的过程,导管100的壁具有用金属泡沫106填充的空腔104。该工艺使用具有模具204的挤出机202来制造具有多个壁103、105的导管100。挤出机可以是单螺杆或多螺杆挤出机。图3描绘了模具204,其可以在导管100中制造两个壁,内壁103和外壁105。模具204包含分流器205,其将熔融金属的初始流207分成两股流209和211。流209形成内壁103,而流211形成外壁105。金属泡沫粉末流101可以通过例如分流器205中的端口212注入壁空腔104。然后,在装置214中,在内管103和外管105之间的空腔104中包含金属泡沫粉末101的导管100经受高温和高压。装置214可以包括与对流烘箱结合的辊磨机。辊磨机可用于在导管上施加压力,而对流烘箱可用于升高导管的温度以活化金属泡沫粉末,从而促进其转化为金属泡沫106。金属泡沫106包含在内壁103和外壁105之间。用于在壁空腔内让金属泡沫粉末101发泡的温度和压力与上面详述的相同。
在一个实施例中(未示出),金属泡沫可以同时在中央空腔102和壁空腔104中产生。换句话说,图2中详细描述的实施例可以与图3中详细描述的实施例相结合。需要注意的是,虽然图2和图3中的过程是连续过程,但是泡沫金属部件也可以在分批过程中制造。连续工艺是优选的,因为它们的能量成本较低,并且因为制造速度提高。
从图2和图3可以看出,用于在导管中制造金属泡沫的装置包括挤出机、用于增加金属泡沫粉末上的压力的装置或部分以及用于增加金属泡沫粉末上的温度的加热部分。挤出机包括一个或多个螺杆,用于通过模具挤出金属以形成导管。
模具包括一个或多个端口,用于将金属泡沫粉末注射到导管的中央空腔或壁空腔中。在一个实施例中,模具包括多个端口,用于将金属泡沫粉末注射到导管的中央空腔或壁空腔中。
加压部分增加金属泡沫粉末上的压力。加压部分包括沿与挤出物500行进方向相反的方向行进的压头或柱塞。在一个实施例中,加压部分可以包括辊磨机。加热部分提高金属泡沫粉末的温度,以促进其膨胀成金属泡沫。加热部分包括对流烘箱或感应线圈。感应线圈位于模具上或靠近(挤出机的)模具。
在一个实施例中,金属泡沫粉末可以与可膨胀聚合物粉末(例如,EXPANCEL)混合,以产生散布有聚合物泡沫的金属泡沫。金属泡沫与聚合物泡沫的结合将赋予泡沫部件改善的冲击性能和吸声能力。
聚合物泡沫的例子包括聚苯乙烯、聚氨酯、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚烯烃等,或它们的组合。
以本文详述的方式制造的金属泡沫具有许多优点。它们可以在一个步骤中连续制造,从而降低制造成本。铝泡沫可以仅形成在导管的某些壁上,以微调性能。使用金属泡沫(例如,铝泡沫)将允许这样的产品设计:通过在用于能量衰减的关键区域使用金属泡沫,可以利用较高的壁刚度而不显著增加质量。
以本文所述方式制造的制品可用于车辆,例如汽车、自行车和摩托车、飞机、机车、船舶和其他海船。
虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开,但是本领域技术人员将理解,在不脱离本发明的范围的情况下,可以进行各种改变,并且等同物可以替代其元件。此外,在不脱离本公开的基本范围的情况下,可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此,意图是本公开不限于所公开的特定实施例,而是将包括落入其范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种方法,包括:
挤压金属导管;
将金属泡沫粉末注入金属导管的空腔中;和
活化金属泡沫粉末,以在金属导管的空腔中形成金属泡沫。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述空腔是相对于导管壁同心定位的中央空腔。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述空腔是相对于导管壁偏心定位的中央空腔。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述空腔是位于所述金属导管的内壁和外壁之间的壁空腔。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述金属导管和所述金属泡沫包括相同的金属。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述活化包括提高所述金属泡沫粉末的温度和/或压力,并且其中所述温度为200至650℃。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于,在挤压过程中,位于挤压模具处并位于导管内部的感应线圈有助于温度的升高,并且其中压力的升高是通过进入导管并与挤压金属导管的行进方向相反地行进的压头来实现的。
8.权利要求1的方法,其中金属导管和金属泡沫包括铝。
9.一种用于制造泡沫金属的装置,包括:
挤出机,包括:
一个或多个螺杆,用于通过模具挤压金属,以形成导管;
其中,模具包括多个端口,该多个端口用于将金属泡沫粉末注射到导管的中央空腔或壁空腔中;
加压部分,用于增加金属泡沫粉末上的压力;和
加热部分,用于提高金属泡沫粉末的温度,以促进其膨胀成金属泡沫。
10.一种物品,包括:
包含第一金属的导管;其中导管包括一个或多个空腔;
其中至少一个空腔包含金属泡沫,并且其中导管壁围绕金属泡沫;其中金属泡沫包含第二金属。
CN202110458253.3A 2020-10-01 2021-04-27 金属泡沫挤出方法和由其制造的制品 Pending CN114273657A (zh)

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