TWI797834B

TWI797834B - 發泡金屬製造設備及其製造方法

Info

Publication number: TWI797834B
Application number: TW110142605A
Authority: TW
Inventors: 吳鎮宇; 林建佑; 鄭勝元; 施景祥; 施博錕
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2021-11-16
Filing date: 2021-11-16
Publication date: 2023-04-01
Also published as: TW202321472A

Abstract

一種發泡金屬製造設備包括：一熔煉爐；一持溫發泡爐，連通該熔煉爐，並設有一注氣口及一出湯口，該注氣口用以供氣體通入並散布於該持溫發泡爐內；以及一引拔導引機構，連通該持溫發泡爐，並設有一引湯口及一出胚口，其中該引湯口對接該出湯口，且自該引湯口朝該出胚口延伸出一引拔通道，該引拔通道彎曲而形成有一圓角，且該圓角為R5~R15。

Description

發泡金屬製造設備及其製造方法

本發明是有關於一種發泡金屬板材的製造方法，且特別是有關於一種利用發泡金屬製造設備之發泡金屬板材的製造方法，可以得到機械性能更好、密度更均勻的發泡金屬板材。

發泡金屬具有別於傳統金屬的優異特性，以發泡鋁金屬為例，發泡鋁具有質輕，絕熱，電磁遮罩高等優良特性，在建築，航空航太等行業都有廣泛的應用；為了滿足各行業的應用需求，發泡鋁的高效製備成為冶金領域研究重點。

目前工業上針對不同的需求主要有兩種發泡鋁板材製備方法，直接吹氣法和熔體發泡法。直接吹氣法是指在金屬熔湯內通入氣體從而生產成發泡鋁材料鋁材料，然後經由板材成形製程將該發泡鋁材料變成發泡鋁板材，其優點是成本低，可實現大批量連續生產。然而，為了實現連續生產泡沫鋁板材，也出現了一些生產設備，雖然實現了泡沫鋁板材的連續生產，但存在諸多缺陷，例如採用的電磁攪拌方法攪拌力偏小，且無法獲取更多的氣孔，不能生產出孔隙率不同的泡沫鋁板材。

因此，便有需要提供一種發泡金屬製造設備及其製造方法能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種利用發泡金屬製造設備之發泡金屬板材的製造方法，可以得到機械性能更好、密度更均勻的發泡金屬板材。

依據上述之目的，本發明提供一種發泡金屬製造設備包括：一熔煉爐；一持溫發泡爐，連通該熔煉爐，並設有一注氣口及一出湯口，該注氣口用以供氣體通入並散布於該持溫發泡爐內；以及一引拔導引機構，連通該持溫發泡爐，並設有一引湯口及一出胚口，其中該引湯口對接該出湯口，且自該引湯口朝該出胚口延伸出一引拔通道，該引拔通道彎曲而形成有一圓角，且該圓角為R5~R15。

本發明更提供一種發泡金屬製造方法，依據所述發泡金屬製造設備，形成一發泡金屬板材。

本發明之發泡金屬板材的製造方法，利用發泡金屬製造設備，可以得到機械性能更好、密度更均勻的發泡金屬板材，是對目前的發泡金屬板材的製造方法之有效的改進。

1:發泡金屬製造設備

10:金屬熔湯

10’:半固態金屬熔湯

101:發泡金屬材

101’:發泡金屬板材

11:熔煉爐

121:持溫發泡爐

1211:出湯口

122:加熱器

123:入料口

1231:陶瓷粉末

124:攪拌器

1241:馬達

1242:轉動軸

125:注氣口

1251:氣體

1252:氣體泡沫

126:引拔導引機構

1260:引拔通道

1261:導板

1262:引湯口

1263:出胚口

127:開關閥

128:冷卻器

13:壓延單元

131:壓延滾輪

132:輸送帶

R:圓角

T1:入口溫度

T2:出口溫度

S1~S3:步驟

S21~S25:步驟

圖1為本發明之一實施例之發泡金屬的製造方法之流程圖。

圖2為本發明之一實施例之發泡金屬製造設備之剖面示意圖。

圖3a為本發明之一實施例之引拔導引機構的引拔通道的圓角示意圖。

圖3b為本發明之一實施例之引拔導引機構的立體示意圖。

圖4為本發明之一實施例之注氣發泡及引拔導引製程之流程圖。

圖5a~圖5c為本發明之實施例1~3之發泡鋁金屬板材的剖面圖。

圖6為本發明之另一發泡金屬製造設備之剖面示意圖。

圖7a~圖7c為本發明之實施例3~5之發泡鋁金屬板材的剖面圖。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

茲配合圖式將本發明實施例詳細說明如下，其所附圖式主要為簡化之示意圖，僅以示意方式說明本發明之基本結構，因此在該等圖式中僅標示與本發明有關之元件，且所顯示之元件並非以實施時之數目、形狀、尺寸比例等加以繪製，其實際實施時之規格尺寸實為一種選擇性之設計，且其元件佈局形態有可能更為複雜。

圖1為本發明之一實施例之發泡金屬的製造方法之流程圖。該發泡金屬(亦即泡沫金屬)板材的製造方法主要包括下列步驟：在步驟S1中，進行一熔煉製程，可將至少一金屬材料熔解成一金屬熔湯；在步驟S2中，進行一注氣發泡及引拔導引製程，將該金屬熔湯形成一發泡金屬材；以及在步驟S3中，進行一板材成形製程，將該發泡金屬材形成一發泡金屬板材。

圖2為本發明之一實施例之發泡金屬製造設備設備之剖面示意圖。該發泡金屬製造設備1包括：一熔煉爐11及一持溫發泡爐121。該熔煉爐11用以進行該熔煉製程，將至少一金屬材料熔解成一金屬熔湯10。該持溫發泡爐 121連通該熔煉爐11，用以容置來自該熔煉爐11之金屬熔湯10。該持溫發泡爐121設有一注氣口125及一出湯口1211，該注氣口125用以供氣體通入並散布於該持溫發泡爐121內。舉例，該注氣口125設置於該持溫發泡爐121下方，用以將氣體1251注入該半固態金屬熔湯10’中，以形成含氣體泡沫1252的半固態金屬熔湯10’。

請參考圖2，該發泡金屬製造設備1更包括：一加熱器122、一入料口123、一攪拌器124、一引拔導引機構126、一開關閥127及一壓延單元13。該加熱器122(例如感應線圈式加熱器)，環繞該持溫發泡爐121，用以將該金屬熔湯10維持在高溫半固態區間，以形成半固態金屬熔湯10’。該入料口123設置於該持溫發泡爐121上方，用以將陶瓷粉末1231投入該半固態金屬熔湯10’中。該攪拌器124伸入該持溫發泡爐121內，用以攪拌該半固態金屬熔湯10’，使該陶瓷粉末1231均勻分散於該半固態金屬熔湯10’中。該引拔導引機構126連通該持溫發泡爐121，並設有一引湯口1262及一出胚口1263，其中該引湯口1262對接該出湯口1211，且自該引湯口1262朝該出胚口1263延伸出一引拔通道1260，該引拔通道1260彎曲形成有一圓角R，且該圓角為R5~R15。進一步說明，請參考圖3a，所謂圓角R係以圓形半徑計算弧度，半徑越大弧度就越大，故R5及R15係分別代表半徑為5mm及15mm的圓形對應產生之圓角R的弧度，此為工程製圖領域所能理解，於此僅簡單說明不再贅述。請再參考圖2，於本實施例中，該引拔導引機構126設置於該持溫發泡爐121上方，藉以將該含氣體泡沫1252的半固態金屬熔湯10’進行引拔導引而形成一發泡金屬材101。

請參考圖3b，該引拔導引機構126可為矩形或圓形管狀的導板1261所構成，亦即該引拔導引機構的該引湯口及該出胚口之截面為矩形(例如等矩形)或圓形(例如等徑圓形)，並以R5~R15區間的圓角R通過該含氣體泡沫1252的半固態金屬熔湯10’。該引拔導引機構126的尺寸可依發泡金屬材101之產品尺寸而調整。

請再參考圖2，該開關閥127設置於該持溫發泡爐121上方，用以開啟或關閉該熔煉爐11之金屬熔湯10進入該持溫發泡爐121。該壓延單元13連接於該引拔導引機構126之出胚口，並包括多個該壓延滾輪131及輸送帶132，用以進行該板材成形製程，將該發泡金屬材101形成一發泡金屬板材101’。

圖4為本發明之一實施例之注氣發泡及引拔導引製程之流程圖。該注氣發泡及引拔導引製程為一種利用陶瓷粉末的注氣發泡及引拔導引製程。上述注氣發泡及引拔導引製程包括下列步驟。

在步驟S21中，請再參考圖2，將該金屬熔湯10維持在高溫半固態區間，以形成半固態金屬熔湯10’。當該金屬熔湯10為鋁金屬熔湯或鋁合金熔湯時，則維持在高溫半固態區間的半固態金屬熔湯10’是指溫度控制在700~900℃。

在步驟S22中，請再參考圖2，由入料口123將陶瓷粉末1231投入該半固態金屬熔湯10’中。舉例，陶瓷粉末1231可為複合陶瓷，例如：金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硫化物、金屬氮化物、金屬硼化物…等。陶瓷粉末1231可為矽化合物，例如SiC、SiO2、Al_0.47Si_0.53、Si₃N₄、Si…等。陶瓷粉末1231可包括片狀陶瓷粉末，其尺度範圍可為長度：10-100μm，寬度：10-100μm，厚度：10μm以下。片狀陶瓷粉末的形貌可為：長扁比3倍以上(可調整)。片狀陶瓷粉末的幾何形狀可為：非等向性多邊形(例如：樹枝狀、針狀、條片狀、羽毛狀…等)。

在步驟S23中，請再參考圖2，攪拌該半固態金屬熔湯10’，使該陶瓷粉末1231均勻分散於該半固態金屬熔湯中。舉例，利用馬達1241藉由轉動軸1242(例如500rpm以上)轉動攪拌器124，以攪拌該半固態金屬熔湯10’，使該陶瓷粉末1231均勻分散於該半固態金屬熔湯10’中。

在步驟S24中，請再參考圖2，由注氣口125將氣體1251注入該半固態金屬熔湯10’中，以形成含氣體泡沫1252的半固態金屬熔湯10’。例如：所注入的氣體1251可為氮氣(N2)、空氣(Air)、氬氣(Ar)...等，注氣流量可為10sccm以上，其中sccm是ml/min，也是流量單位。由於陶瓷粉末1231會阻得該半固態金屬熔湯10’中的氣體泡沫1252上升，因此氣體泡沫1252比較均勻地分布在該半固態金屬熔湯10’中。

在步驟S25中，請再參考圖2，該引拔導引機構126以R5~R15區間的圓角R將該含氣體泡沫1252的半固態金屬熔湯10’引拔導引而形成一發泡金屬材101。舉例，當該引拔導引機構126的圓角R越小時，該含氣體泡沫1252的半固態鋁金屬熔湯10’被引拔導引時的流體阻力會越大，造成氣體泡沫1252不易上升，氣體泡沫1252可以比較均勻地分布在該半固態鋁金屬熔湯10’中，因此改善發泡鋁金屬材孔隙率的均勻性。但是當該引拔導引機構126的圓角R太小時，該含氣體泡沫1252的半固態鋁金屬熔湯10’被引拔導引時，也可能會因流體阻力太大而停滯不動。

請參考圖5a~圖5c，其顯示實施例1~3之發泡鋁金屬板材的剖面圖。該引拔導引機構的圓角與發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率的關係表，如表一所示。

當該引拔導引機構的該圓角為R15時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為35.2%；當該引拔導引機構的該圓角為R10時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為60.2%；當該引拔導引機構的該圓角為R5時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為98.5%，因此該引拔導引機構的該圓角越小，其所對應產生之弧度越小時，確實可改善發泡鋁金屬材孔隙率的均勻性。

另外，圖6為本發明之另一發泡金屬製造設備之剖面示意圖。請參考圖6及圖3，該注氣發泡及引拔導引製程設備1’更包括：一冷卻器128(例如水冷式冷卻器)，環繞該引拔導引機構126，用以控制該引拔導引機構126之出胚口出口溫度T2。該引拔導引機構126之引湯口入口溫度T1則由該加熱器122所控制。

請參考圖7a~圖7c，其顯示實施例3~5之發泡鋁金屬板材的剖面圖。引拔導引機構之引湯口入口溫度T1及出胚口出口溫度T2(如圖3所示)與發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率的關係表，如表二所示。

當該引拔導引機構的引湯口入口溫度及及出胚口出口溫度為600及300度時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為35.2%；當該引拔導引機構的引湯口入口溫度及出胚口出口溫度為700及400度時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為86.2%；當該引拔導引機構的引湯口入口溫度及出胚口出口溫度為800及500度時，發泡鋁金屬板材的孔洞體積分率為98.3%，因此該引拔導引機構的引湯口入口溫度及出胚口出口溫度越高時也可改善發泡鋁金屬板材孔隙率的均勻性。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。