CN1210420C - 多孔金属的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及制造多孔金属的方法。该方法包括步骤：把粉末状的盐和金属粉末的混合物加热到比盐的熔融温度低、比金属粉末的熔融温度高的温度，使上述金属粉末熔融；为使熔融金属填充到盐粉末间而对上述混合物加压成形；以及从上述成形体把盐溶出最终制成多孔金属。由于此发明制造工艺简单，不仅生产成本低，而且与用以前方法制造的制品相比，在气孔率和比表面积等方面都能期望它具有很强的竞争力。

Description

多孔金属的制造方法

本发明涉及多孔金属制造方法，具体地讲是采用简单的工艺利用金属粉末能够制造作为过滤器、吸音板和热交换器管道材料等使用的、含60～95％连续气孔的多孔金属的制造方法。

多孔金属主要是以不锈钢、铜合金和铝合金为对象，在材料内部形成连续气孔的材料。调节多孔金属连续气孔的尺寸可用于塑料成形过滤器、空气过滤器和净化油用的过滤器等，另一方面利用声音在气孔内振动衰减的现象作为吸音材料使用也受到关注。特别是搞清了现在大量使用的石棉、玻璃纤维等吸音材料是强致癌物质后，一直持续努力要实现用多孔金属来代替这些材料。除过滤器的吸音材料以外，多孔金属也可以作为热交换器和散热器等的管道材料使用。因为多孔金属完全可以满足要求大的比表面积同时具有高的热传导系数的管道材料的特性。

为了能利用多孔金属适用于以上用途，第一：材料内的气孔必须连续；第二必须具有60％以上的气孔率；第三要保持适当的机械强度。能满足这样要求的多孔金属的制造方法已开发的技术有：

①低密度烧结金属粉末的方法。

②用发泡剂使熔融金属发泡的方法。

③把熔融金属压铸到氯化钠的予成形坯(preform)中的方法。

④把石膏浆注入到氯化聚氨脂泡沫塑料(form)后，使聚氨脂泡沫塑料热分解制成石膏模型，然后真空吸入熔融金属的方法等。

在以上的方法中，方法①具有工艺简单、气孔的连续性好的优点，尽管至今为止得到最广泛的应用，但存在难以把气孔率提高到60％以上的缺点，同时也存在难以用于铝合金的问题。

方法②尽管工艺简单，但存在必须使用高价发泡剂的缺点。而方法③是要预先使氯化钠成形为具有一定的气孔后，对熔融金属加压使其渗透到该气孔内，然后再使氯化钠溶在水中去除的方法。可是几乎应用的所有的金属多与氯化钠的亲和能力很低，即使是利用高压铸机给予相当高的压力，熔融金属几乎也不能渗透到1mm以下的气孔中，而且也可以发现熔融金属的渗透程度在表面和内部之间存在相当的差异。因此此方法仅局限于制造气孔尺寸在数毫米以上的粗的多孔金属。

方法④应用的是精密铸造法，具有气孔率在90％以上，金属形成三维网状结构的特点，适用于作过滤器的材料。可是由于工艺复杂，所以价格高，内部网状结构的金属比表面积小，难以用于需要大比表面积的吸音材料和热交换器管道材料。

以上的现今制造多孔金属的方法存在着气孔率低、工艺复杂造成制造费用高，或比表面积小等问题。

本发明的目的是：出于要改善乃至完全消除上述以前技术的问题，提供一种采用简单的工艺可以有高的生产率、而且具有高气孔率和大的比表面积的多孔金属的制造方法。

为了达到此目的，按照本发明提供多孔金属的制造方法，包含步骤：把粉末状的盐和金属粉末的混合物加热到比盐的熔融温度低而比金属粉末的熔融温度高的温度使金属粉末熔融；使上述熔融金属填充到上述盐粉末间，对上述混合物加压成形；使盐从上述成形体中溶出，最终得到多孔金属。

本发明使用的盐的种类要根据烧结时的变形性能来选择。也就是说，如果盐烧结时不能变形的话，通过下述的加压工序就不能保证盐与盐之间充分接触，不能防止因熔融金属使盐呈孤立状态。如果烧结时盐不发生变形或变形程度不充分，处于孤立状态的盐在溶出工序中就不能去除，这样会影响多孔金属的耐蚀性。

因此考虑到这一点，本发明中可使用的盐希望是烧结时变形性能优良的氯化钠和氯化钾等那样的1价盐。

用本发明制造的多孔金属的气孔尺寸取决于盐粉末粒子的尺寸，而气孔率取决于盐和金属粉末的混合比。因此要根据使用的多孔金属的用途可适当调节盐粉末的尺寸和与金属粉末的混合比，一般希望盐粉末尺寸为0.05～5mm，金属粉末的粒子尺寸为10～300μm左右，金属粉末的形状可以使用矩形的、椭圆形的、针状的、板状的等。

把盐的粉末和金属粉末按规定的比例混合成原料粉末混合体，以一定的压力加压，尽可能填充金属模后，把该金属模加热到比盐的熔融温度低，比金属粉末的熔融温度高的温度，此时希望在填充原料粉末混合体之前，为了要预先排出金属模底部的空气，在金属模下部要形成透气层。

作为这种透气层的一个例子，把二氧化硅粉末加压成形后的成形体设置在加压用金属模下部，然后装入原料粉末混合体进行加压工序。在本发明中透气层是能够吸收从被加压的原料粉末混合体排出的空气的多孔成形体，必须不能与原料粉末混合体中的熔融金属发生反应。在没有透气层的情况下随加压工序的进行对原料粉末加压的话，熔融金属没有能致密地填充在盐粒子间，由于混合体内部的空气压力，熔融金属会被从金属模的间隙挤出。

希望用尺寸为1-10μm二氧化硅粉末加压成形作为透气层使用。

另一方面在要获得的最终产品厚度增加的情况下，原料粉末的填充量要增多，由于试样的高度(尺寸)增加，会出现仅仅靠在金属模底部形成的透气层是不够的情况。这种情况下必须预先去除原料粉末混合体中的空气层，维持其内部的空气压力要比大气压低。

作为去除存在于盐粉末和金属粉末的混合体中的空气的方法，例如把原料粉末混合体填充到金属模中后，把该金属模放入真空加热加压设备中，在达到所要求的真空度之前真空泵运转，或者也可以把原料粉末的混合体填充到带有空气出口的容器中，然后把容器的入口密封，通过空气出口使真空泵运行直到得到所要求的真空度。

此时可根据多孔金属的厚度和用途等调节填充了原料粉末混合体的金属模和容器的真空度，最好在200Torr以下。

金属粉末在被一直要加热到熔融温度以上的状态下，象铝这样的熔融金属因有氧化膜能继续维持粉末的形态。

在这样的状态下用压力机对金属膜加压，加压的目的是使盐烧结变形，使盐粒子间充分接触，以防止盐粒子被孤立，同时破坏熔融金属粒子表面的氧化膜，使熔融金属致密地填充在盐粒子之间。此外增加施加的压力减少盐粒子间的空间的话，由于一部分熔融金属通过透气层被挤出，可以得到提高气孔率的效果。

不施加足够大的压力的情况下，熔融金属不能致密地填充盐粒子间的空间，其结果是会使制造的多孔金属几乎丧失机械强度。因此施加压力的大小必须在50kg/cm²以上(温度在700℃时)。本发明的实验结果表明，把加热温度提高到700℃以上时，所要求的施加压力的大小可稍有降低。

然后使金属模冷却，把从金属模中分离出来的成形体试样浸入水中，使盐溶出，得到最终的多孔金属。

可以看出，上面谈到的本发明的多孔金属制造方法与在前面提及的把熔融金属压铸到氯化钠予成形坯中的方法(以下简称压铸法)相似，本发明中下面提出的方法与压铸法相比具有明显的不同点和长处。也就是说：

第一、压铸法中构成予成形坯的盐之间空间细小的情况下，即使加压也不能使熔融金属渗透，相反在本发明中由于预先在盐之间填充金属粉末，与盐之间空间的大小无关，可以填充熔融金属。结果，本发明方法可以制造具有压铸法难以制造的微小气孔的多孔金属。

第二、用压铸法得到的多孔金属因熔融金属填充的不均匀，表现出气孔的分布因位置的不同偏差很大，用本发明得到的多孔金属气孔的分布非常均匀。

第三、压铸法仅能适用于分批的生产方式，而本方法可以通过在连续式加热炉的中间设置压力机的方法进行连续大批量生产。

(实施例1)

1)把氯化钠粉末(平均直径0.7mm)和用气体喷雾法制造的2024铝合金粉末(平均直径150μm)按3∶1的重量百分比秤量后，加入1.5wt％的乙醇混合。

2)在内径为100mm的金属模的底部填充尺寸为5μm的二氧化硅粉末50g，然后用2吨的负荷加压形成排气层。

3)在二氧化硅层上把用1)方法制造的氯化钠和铝粉末的均匀混合体100g填充后，加热到700℃。

4)为了要把被加热的金属模内氯化钠和铝粉末的混合体间的空气充分抽出，在1分钟内逐渐把加压的负荷增加到2吨。

5)使金属模冷却后分离成形体，然后浸在水中除去盐。测定了制成的多孔铝合金的气孔平均尺寸和气孔率，其结果分别为0.7mm、83％，用扫描电子显微镜对断口进行了观察，其结果是铝合金以膜相互连接的形式存在，气孔间的连接也良好。

(实施例2)

1)把氯化钠粉末(平均直径0.1mm)和用气体喷雾法制成的铝合金粉末(平均直径60μm)按5∶1的重量百分比秤量后，加入1.5wt％的乙醇混合。

2)以下用与实施例1相同的方法(但是加热温度为720℃)制成了多孔纯铝板。制成的多孔铝板的气孔平均尺寸和气孔率分别为0.1mm、91％。

(实施例3)

1)把氯化钠粉末(平均直径5mm)和用气体喷雾法制造的铝合金粉末(平均直径150μm)按4∶1的重量百分比秤量后，加入1.5wt％的乙醇混合。

2)以下用与实施例1相同的方法(但是加热温度为720℃)制成多孔纯铝板。制成的多孔铝板的气孔平均尺寸和气孔率分别为5mm、85％。

(实施例4)

1)把平均直径200μm的金属粉末(纯铝和铝合金)500g和平均直径500μm的氯化钠粉末1kg用球磨机混揉30分钟，然后填充到内径100mm的金属模中。

2)把填充了上述原料粉的金属模放入真空加热加压设备，用回转泵抽去真空室内的空气。

3)真空度降到200m Torr以下的话，把金属模加热到600℃，然后施加3吨的负荷。

4)在施加负荷的状态下使其冷却到350℃，然后在不加负荷的状态下冷却。

5)把金属模从真空加热加压设备中取出后分离成形体，然后切下10mm厚。

6)把切下的成形体浸在水中除去盐，然后干燥，制成8块直径100mm、厚10mm的多孔铝板。在上述条件下制成的多孔板的气孔率为81％，气孔的平均尺寸为0.5mm，气孔等全部以连结的状态存在。

(实施例5)

1)把平均直径200μm的金属粉末(纯铝和铝合金)500g和平均直径700μm的氯化钠粉末1kg用球磨机混揉30分钟，然后填充到内径96mm、外径100mm带有空气出口的铝合金容器中。

2)把容器的入口密封后通过空气出口用回转泵抽去容器内的空气，然后遮挡空气出口使容器内的压力在100m Torr以下。

3)把上述容器加热到630℃后装入内径100mm的金属模中，以3吨的负荷加压30秒。

4)把填充了原料粉末状态下加压的容器与金属模分离后冷却。

5)切去容器上部和下部的铝合金部分后，把残存的成形体切下10mm厚，浸入水中除去盐后干燥，制成8块在外廓形成2mm铝合金层的直径100mm、厚10mm的多孔铝板。在上述条件下制成的多孔板的气孔率为81％，气孔的平均尺寸为0.7mm，气孔等全部以连结的状态存在。

由上可见，用本发明提供的方法制造的多孔金属，从使用简单的工艺就能具有高的生产率和低的生产成本，而且具有高的气孔率和比表面积方面来考虑作为吸音材料及热交换器的管道材料，不仅与压铸法相比，并且与现有的其他方法相比都具有很强的竞争力。

上面以特定的优选实施例对本发明进行了举例及图示说明，但本发明不限于上述实施例，在不偏离本发明思路的范围内，在本发明所属的技术领域里的技术人员应能做出各种变化和修正。

Claims (6)

1.多孔金属的制造方法，包含步骤：

把粉末状的盐和金属粉末的混合物加热到比盐的熔融温度低、比金属粉末的熔融温度高的温度，使上述金属粉末熔融；

为使上述熔融金属填充到盐粉末间而对上述混合物加压、成形得到成形体；以及

从上述成形体中把盐溶出，最终制成多孔金属，

其中，

上述盐是氯化钠或氯化钾；

上述金属粉末是选自下组的金属的粉末：不锈钢、铜合金、铝、和铝合金。

2.如权利要求1所述的方法，其特征为：把上述粉末状的盐和金属粉末的混合物填充到具有可加压排出空气的透气层的金属模内。

3.如权利要求2所述的方法，其特征为：上述透气层是把二氧化硅加压成形后作为透气层使用的。

4.如权利要求1所述的方法，其特征为：要预先去除存在于上述盐粉末和金属粉末混合体间的空气层，要维持空气的压力比大气压低。

5.如权利要求4所述的方法，其特征为：去除上述空气层是通过把原料粉末的混合体填充到金属模中以后，把上述金属模放入真空加热加压设备，然后使真空泵运行来实现。

6.如权利要求4所述的方法，其特征为：去除上述空气层是通过把原料粉末填充到带有空气出口的容器后，密封容器的入口，然后利用上述空气出口使真空泵运行来实现。