專利名稱：一種泡沫金屬制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于金屬材料加工技術領域，具體涉及一種泡沫金屬的制造方法。
泡沫金屬統(tǒng)稱為多孔金屬。通常把孔隙率較高、孔徑較大、孔隙間相互連通的輕質多孔金屬稱為泡沫金屬。現(xiàn)有制備泡沫金屬的方法有發(fā)泡法、電解法、鑄造法、滲流法，其中發(fā)泡法是在金屬溶液中加入Mg、Ti、Zr等金屬氫化物的氣體發(fā)生物，使其在熔體中產(chǎn)生大量氣泡，冷凝后得到含大量獨立孔洞的泡沫金屬，該方法雖然可制備高孔隙率的泡沫金屬，但由于熔體各部位溫度及凝固速度不一致，其孔隙數(shù)量及尺寸均勻性的控制很困難，而且形成的獨立孔隙還需要采用特殊的軋制工藝使其連通，方可應用在吸聲產(chǎn)品中，其工藝流程復雜，質量穩(wěn)定性差；電解法是以高孔隙的泡沫聚氨脂為骨架經(jīng)過導電預處理后，在其骨架表面電鍍一層金屬，經(jīng)過高溫焙燒去掉聚氨脂骨架，即形成網(wǎng)絡狀泡沫金屬，該方法雖然能制備高孔隙率的泡沫金屬，而且孔隙連通，但目前只限于Ni、Fe等高熔點金屬的應用，其厚度尺寸受到很大的限制；鑄造法又稱熔模鑄造法，也是以泡沫聚氨脂為骨架，首先在骨架孔隙中灌入耐高溫、水溶性陶瓷漿料，待漿料固化后高溫焙燒去掉聚氨脂骨架，將多孔陶瓷體放入可抽真空的特定模具中，澆入金屬液后抽真空，使金屬液在負壓下滲入多孔陶瓷體的孔隙中，凝固后將金屬一陶瓷復合體放入水中脫溶，最后得到孔隙均勻的泡沫金屬，但該方法工藝流程十分復雜，實用性差。滲流法又稱加壓滲流法，是用加壓(正壓或負壓)的方法將液體金屬滲入預制的多孔體中，冷凝后去除多孔體材料，而獲得具有獨特孔隙結構的泡沫金屬，該泡沫金屬制造方法簡單，孔隙間相互連通、尺寸可調、孔隙率為60-80％，并可加工成任意形體，這是上述方法所不具備的。但該滲流法存在多孔體緊實度不均勻，澆注時上方顆粒易上浮問題，使得泡沫金屬中孔隙大小及分布不均勻；同時，多孔體孔隙深處的某些殘存的物質不易清洗干凈，從而導致泡沫金屬表面有白斑等腐蝕引起的缺陷產(chǎn)生，影響其正常使用。其中負壓控制的滲流法由于孔隙連通性較差，孔隙的清洗和凈化就更為困難。
本發(fā)明的目的在于提出一種能使泡沫金屬孔隙尺寸及分布更加均勻，工藝流程更為簡化，并能有效地消除白斑等缺陷，從而可明顯提高泡沫金屬表面質量和整體性能的泡沫金屬制造方法。
本發(fā)明提出的泡沫金屬制造方法，具體步驟如下多孔體材料預制、金屬熔化處理、加壓復合成型、機械加工定形、后處理。其中1、多孔體材料的預制，具體工序為(1)篩分，以得到所需尺寸大小的顆粒，(2)加熱烘烤，以去除水份，(3)過篩去粉，去除小于所需尺寸的顆粒以及粉末，(4)預熱，其溫度在該多孔體材料自身熔點以下250-450℃為宜。得到預制顆粒。
這里的多孔體材料是指構成泡沫金屬孔隙的填充材料，該填充材料要求具有優(yōu)良的耐熱性和水溶性，即首先能承受高溫金屬液的沖刷，在高溫下顆粒不軟化、不碎裂；其次，在水、水溶液或某些酸溶液中溶解度高，易于去除。根據(jù)金屬不同的種類及熔點，可選擇不同的填充材料。一般可在KCl、NaCl、Na2CO3、K3PO4、MgO等無機鹽或氧化物中選取。
2、金屬熔化處理，具體工序為將金屬或合金錠放入熔爐中進行熔化，加入無污染的精煉劑和細化劑，去除金屬液中的氣體及渣質，并使晶粒細化，達到規(guī)定的成型溫度后，在爐中保溫待用。一般其澆鑄溫度控制在該金屬的熔點以上100-250℃范圍內為宜。金屬液在爐內保溫及使用過程中，要確保溫度及晶粒細化效果的穩(wěn)定。
另外，金屬或合金錠在入爐前需清除表面油污和水分，減少雜質混入。
本發(fā)明中，適合于制作泡沫金屬的金屬種類主要選擇Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金。
3、加壓復合成型。具體工序為模具預熱、多孔預制顆粒充填和預壓、澆注液體金屬、加壓成型、脫模。其中模具預熱溫度一般為150-350℃，以保證成型過程中溫度的均勻性。多孔預制顆粒填充、預壓，首先將多孔預制顆粒充填到模具的型腔中，然后在顆粒表面進行預壓，使充填顆粒緊實、均勻，一般預壓力為0.1-3Mpa。澆注液體金屬，即在規(guī)定的澆注溫度下將金屬液一次澆入模具型腔中；然后在液面上方施加壓力，使金屬熔體在壓力下滲入預制顆粒間隙中，凝固后形成金屬一預制顆粒復合體。這里的成型壓力一般為2-15Mpa，具體按預制顆粒粒度大小及滲流高度來確定。
4、機械加工定形，即采用常規(guī)機械加工方法(如車、刨、銑、鋸、鉆等)，將金屬—顆粒復合體加工成需要的形狀及尺寸大小，如圓柱體、圓筒體、錐體、多面體、正方體、板形或其他異形體等。這里，加工比較方便，得到的加工件表面平整。
5、后處理，其工序為將經(jīng)機械加工的定形件依次進行脫溶、凈化、干燥處理。其中，脫溶包括將定形件在清水溶液中浸泡、沖洗、脫水，反復多次循環(huán)，以去除復合體中大部分的易溶填料。凈化可采用①清水凈化，②沖洗、離心凈化，③超聲波凈化，④化學品(如異丙醇)凈化，⑤真空水環(huán)凈化，其目的是徹底去除多孔體微孔中殘留的填料。根據(jù)產(chǎn)品尺寸及孔隙特性的不同，可選擇上述凈化方法中的若干種。例如可選擇①、②、③，或①、②、④，或①、②、③、④，或①、②、③、④、⑤等。脫溶、凈化時間一般為3-35小時。干燥溫度一般為100-250℃，干燥時間視干燥爐類型及產(chǎn)品尺寸來確定。通過干燥，徹底去除多孔金屬孔隙骨架上附著的水份，以保證產(chǎn)品質量的穩(wěn)定性。
本發(fā)明方法中，還可在泡沫金屬上面澆注一層該金屬實體層。即根據(jù)需要，在金屬—顆粒復合體加壓成型時，在上面再澆注一層給定尺寸的該金屬實體層，如

圖1所示。使加工后的器件具有一個金屬實體邊框，以提高器件整體結構強度。
由本發(fā)明方法制得的泡沫金屬其孔隙率為60-80％，通孔率大于95％，孔徑可在0.3-4.5mm范圍調節(jié)。它不僅在孔隙均勻性、孔徑可調節(jié)性、孔隙的貫通性及工藝簡便性方面明顯優(yōu)于熔體發(fā)泡法，而且有效地克服了原加壓滲流法成型性差、質量不穩(wěn)定、易產(chǎn)生白班、裂紋、缺肉、縮孔等問題，使泡沫金屬在各種大氣環(huán)境下使用及存放也不產(chǎn)生白斑等腐蝕類缺陷；同時，帶有實體金屬層(外緣或上端)的復合體，提高了泡沫金屬器件整體結構強度及裝配性。本泡沫金屬是一種有實用價值的新型多孔材料，可在過濾、分離、吸聲、阻燃及催化等多領域得到應用，如制造過濾器濾芯、分流器分流板、消聲器內襯板及套筒、聲屏障吸聲面板、催化器載體等。
圖1為帶有實體金屬層的泡沫金屬結構圖示。
圖2為經(jīng)機械加工定形的消聲器套圖示。
圖3為經(jīng)機械加工定形的過濾器濾芯圖示。
圖4為外緣為實體鉛層的泡沫鉛板圖示。
其中，1為實體金屬層，2為金屬骨架(灰白色部分)，3為孔隙(深色部分)。
實施例1泡沫鋁筒體制造將顆粒狀天然海鹽(NaCl)經(jīng)篩分后，取60目篩盤上顆粒，在300-400℃烘干，再次篩分去除粉狀物；將一定重量的顆粒物在400℃溫度下預熱0.5hr以上，顆粒物均勻加熱后，將其快速倒入內腔為φ250×250、經(jīng)預熱(180℃)的金屬模具中，金屬模具可預先固定在某壓力機上，也可是移動的一即當顆粒物充填后與模具一起安放在壓力機的某一確定位置上；對型腔中的顆粒在0.5Mpa下預壓實后，向模具上口澆注牌號為ZL101鋁合金溶液，通過特制限位上壓頭，施壓至限位高度，將鋁合金液均勻壓入顆粒間隙中，冷卻凝固后脫模，獲得上端帶有10-15mm厚鋁層，其尺寸為φ250×150的金屬鋁—顆料鹽復合體(毛坯)，如圖1所示。將該復合體經(jīng)機械加工，首先去除外表的實鋁層，再按圖紙尺寸加工成筒形件，筒形件的最大尺寸為φ250×145，筒體壁厚可在5-50mm范圍內選擇；同時，根據(jù)需要筒形件可以是貫通的，也可以是一端封閉的，如圖2、圖3所示。本發(fā)明的泡沫鋁筒件一端設置實鋁層的目的，是為了提高筒體整體強度，特別是端口處的強度，便于安裝、緊固及延長使用壽命。將加工好的筒件按下列工序進行后處理①脫溶—②沖洗—③脫水—④超聲波凈化—⑤異丙醇凈化—⑥烘干，根據(jù)筒件尺寸及壁厚不同，上述①②③工序需反復多次，④⑤工序可選擇其一，也可同時選用；最終水質經(jīng)電導儀測定，其水質電導率若接近原清水電導率，則筒件可在100-200℃烘干。最終可獲得孔隙率為70％，通孔率大于95％、孔徑為0.45mm的泡沫鋁筒形件。該筒形件可作為過濾器濾芯、消聲器吸聲體或內襯，由于其獨特的孔隙結構及質輕、耐潮濕、耐腐蝕、耐熱、耐寒、加工性優(yōu)良等特性，因而，是某些非金屬材料濾芯或吸聲體以及粉末冶金濾芯或吸聲體的優(yōu)良替代品。該方法可制取的筒件尺寸為直徑φ20-1000mm，高度30-200mm，壁厚5-100mm。
采用同樣方法可制取不同尺寸及孔徑的圓柱體、圓錐體、正方體、圓板、方板及其它異形泡沫鋁件。
實施例2泡沫鉛板件制造將篩分后留在12目篩盤上的顆粒鹽在350℃烘干，再次篩分去除粉狀物后，將一定重量顆粒物在300℃均勻預熱，并將加熱的顆粒迅速倒入內腔為100×100×200mm的方形模具中，顆粒經(jīng)0.5Mpa預壓實后，再由模具上口澆入鉛合金熔液，澆注溫度約480℃；用限位上壓頭將鉛合金熔體壓入顆粒間隙中，冷凝后脫模，即獲得尺寸為100×100×150mm金屬鉛一顆粒鹽復合體；對復合體進行機械加工，首先將上、下端的實體鉛層去除，再用鋸加工方法將復合體加工成所需厚度的板體，獲得具有實體鉛外緣的多孔鉛板，如圖4所示，板體的厚度可在6-50mm范圍內任意調節(jié)，若不需實體鉛外緣，可預先將復合體外表面實體鉛層加工掉，再進行鋸切加工。采用實施例1所述的后處理工序①②③④⑥，脫溶、凈化、烘干后，即獲得孔隙率78％，通孔率98％以上，主孔徑2.5mm并具有加強鉛層外緣的泡沫鉛板材。
用同樣方法也可制取正方體、圓柱體、圓板形的泡沫鉛。該泡沫鉛板材可應用于電池極板及防護電磁屏障等領域。
權利要求
1.一種泡沫金屬制造方法，具體步驟為多孔體材料預制、金屬溶化處理、加壓復合成型、機械加工定形、后處理，其特征在于(1)多孔體材料預制工序為①篩分，得到所需尺寸大小的顆粒，②加熱烘烤，去除水份，③過篩去粉，④預熱，其溫度在該多孔體材料自身熔點以下250-450℃；(2)金屬熔化處理工序為將金屬或合金錠放入熔爐中進行熔化，加入無污染的精煉劑和細化劑，去除金屬液中的氣體及渣質，并使晶粒細化，達到規(guī)定的成型溫度，保溫待用，保溫溫度在該金屬熔點以上100-250℃；(3)加壓復合成型工序為模具預熱、多孔預制顆粒充填和預壓、澆注液體金屬、加壓成型、脫模，其中模具預熱溫度為150-350℃，對充填的預制顆粒預壓的壓力為0.1-3Mpa，加壓成型的壓力為2-15Mpa；(4)機械加工定形，采用機械加工方法將金屬一顆粒復合體加工成需要的形狀及尺寸大小；(5)后處理工序為將經(jīng)機械加工的定形件依次進行脫溶、凈化、干燥處理。
2.根據(jù)權利要求1所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于多孔體材料在KCl、NaCl、Na2CO3、K3PO4、MgO等無機鹽或氧化物中選取。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于所用金屬可在Al、Cu、Mg、Zn、Pb、Sn及其合金中選取。
4.根據(jù)權利要求3所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于后處理的脫溶是將定形件在清水溶液中浸泡、沖洗、脫水，反復循環(huán)多次，直至去除復合體中大部分易溶填料；凈化是采用①清水凈化，②沖洗、離心凈化，③超聲波凈化，④化學品凈化，⑤真空水環(huán)凈化等方法中若干種方法，以徹底去除多孔體微孔中殘留的填料，干燥溫度為100-250℃，以去除多孔金屬孔隙骨架上附著的水份。
5.根據(jù)權利要求1所述的泡沫金屬制造方法，其特征在于在金屬一顆粒復合體加壓成型時，在上面澆注一層給定厚度的該金屬實體層。
全文摘要
本發(fā)明是一種泡沫金屬制造方法。具體步驟包括多孔體材料預制、金屬熔化處理、加壓復合成型、機械加工定形、后處理等。由本方法制得的泡沫金屬不僅在孔隙均勻性、孔徑可調節(jié)性、孔隙的貫通性及工藝簡便性方面明顯優(yōu)于熔體發(fā)泡法,而且有效地克服了原滲流法成型性差,質量不穩(wěn)定,易產(chǎn)生白斑等問題,可廣泛用于過濾、分離、吸聲、阻燃及催化等領域。
文檔編號B22D25/00GK1300864SQ00127500
公開日2001年6月27日 申請日期2000年11月23日 優(yōu)先權日2000年11月23日
發(fā)明者李道韞, 趙庭良 申請人:李道韞