金屬泡沫體的製造方法
2023-06-02 00:52:01 1
專利名稱：金屬泡沫體的製造方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬泡沫體的製造方法，其中生產包含氣體的熔融金屬並且允許所述熔融金屬在形成金屬泡沫體的狀態下凝結。
背景技術：
多孔物體被稱為金屬泡沫體，其中在固定的基體中嵌入氣體填充孔，所述基體由金屬製成或著按重量計算金屬佔有主要份額。嵌入孔一般是球形和/或橢圓形，並且被基體材料的壁互相隔開。依據生產情況，金屬泡沫體在外表面的區域中能夠設計成基本緊湊或無孔的。在這樣情況下，在金屬泡沫體中，多孔內部部分至少部分地被緻密的外層或緻密的外皮包圍。
由於在工藝上可取得高多孔性和低密度，以及對於很多應用有利的特性，例如良好的吸聲、與緻密的基體材料相比較低的熱傳導性，或著在受衝擊的情況下高的變形能力，所以金屬泡沫體作為輕型的功能部件具有廣泛的可應用範圍。
為了完全開拓該潛在應用範圍，從經濟和技術方面考慮，可取的是能夠高質量且儘可能節省成本地夠製造高質量的金屬泡沫的模件。主要質量標準是模件密度、數量、形狀、孔的尺寸和孔在模件中分布，以及在金屬泡沫體設計為具有的緻密或無孔的外層時，外表面的表面質量。
由於金屬泡沫體具有已知高應用潛力，已經進行重大的努力以提供能滿足上述所需期望的製造方法。
根據現有技術，目前使用的幾種方法。
第一，已經提出，通過例如利用電化方法對物體塗層來製造具有孔的蜂窩形金屬體。更具體地，通過這樣方法製造合成體，所述合成體由用作塗層基體的緻密襯底部分和與這些襯底部分隔開的多孔金屬部分構成。該方法的缺點在於，通過塗層技術基本上僅能獲得小的層厚度並且因此可得到的隔開多孔金屬的體積是有限的。而且，在這些合成體情況下，可產生一種粘和問題，即在使用期間，隔開的金屬泡沫部分很容易從襯底部分脫離。
第二，粉末冶金法已經被提出，例如在US3,087,807中或在DE4018 360 C1中。在這種方法中，金屬粉末與發泡劑粉末混合，並且混合的粉末材料通過擠壓或變形被製成緊密。然後加熱緊密材料，直到裂解氣從發泡劑中出來並因此在前面的壓實材料中形成孔為止。通過這種粉末冶金法，能夠製造高質量的金屬泡沫體。然而，這種方法關於所使用的材料和要求的裝置是昂貴的，因為必須製造和使用至少兩種粉末成分。為了在金屬泡沫體中獲得均勻分布的孔，單獨的粉末成分在加熱之前也必須在內部均勻混合，並且粉末顆類必須互相焊接，例如通過熱均衡擠壓。
第三，已知的熔融金屬方法。在這種方法中，生產可發泡的熔融金屬並且然後將氣體引入到熔融金屬中，從而生成流體金屬泡沫，這些泡沫聚集在溶液的表面。如在EP 666 784 B中公開的，由於金屬泡沫的流動性，在溶液表面的金屬泡沫能夠通過小心地擠壓加工成模件，保持多孔結構。這種熔融金屬方法的缺點在於，熔融金屬不能在其純淨條件下起泡沫。為了取得起泡性的目的，在進行起泡之前，熔化的材料必須摻以粘性增強劑，例如惰性氣體(GB 1,287,994)，或者摻以陶瓷微粒(EP 0 666 784 B)。如已經所提及的，聚集在熔液表面上的金屬泡沫是可流動的。這對於金屬泡沫的成形處理是有利的；然而，由於金屬壁缺乏穩定性，可導致起泡的金屬泡沫的局部倒塌並且因此在這樣製造的物體的內部不可控制地形成緻密區域。
關於熔化冶金方法，還提出了不需要粘性增強劑就可進行的方法。已知在高壓和高溫下在金屬熔液中能夠釋放氫，氫由於在熔液的凝結期間溶度的上漲能夠在氣泡形成下被釋放。在熔液的凝結期間氣泡能夠被固定，從而形成多孔金屬物體。藉助這種方法，緻密的金屬原材料能夠立即被轉化為具有孔的體，然而為此需要非常高設備費用。特別地要求將氫引入到熔液中的能夠承受高溫和高壓的高壓鍋。而且，在高壓和至少幾百度的高溫下用氫會對操作者引起顯著的安全風險。此外，一部分形成的氣泡或釋放的氣體能夠在熔液凝結期間排出，所以在熔液中不發生釋放氣體的固定並且作為利用該方法生產的物體的多孔性是低的。
發明內容
因此本發明的目的是提供一種方法，通過該方法能夠以低裝置費用和減小的操作者的安全風險製造高質量的金屬泡沫體。
上述目的這樣實現，即在上述類型的方法中，引入的材料在大氣壓力下熔化並且同時和/或然後引入氣體到流體中，從而流體金屬成形並且允許在較小周圍壓力下凝結至少一段時間。
本發明的優點在於，通過較少的裝置費用和以極其簡單的方式能夠生產高多孔性的金屬泡沫體。可以看出，在不用過壓裝置的情況下，當引入材料在大氣壓力下在開放的熔化坩堝中的熔化並且同時和/或隨後將氣體引入到引入材料的流體階段時，能夠實現熔液的足夠的氣體負載，以在金屬的凝結期間形成低密度的金屬泡沫體。上述作用根據本發明被用於以有益的方式生產所需形狀的金屬泡沫體，如果流體金屬首先成形並且然後允許在至少暫時降低周圍壓力下凝結。由於在降低的周圍壓力下硬化熔液，在溶液中形成大量氣泡的，但是所述氣泡由於熔液的開始和連續的凝結被固定在熔液中，因此根據本發明製造的金屬泡沫體具有低密度。
而且，根據本發明的方法具有對操作者更高的安全性的優點，因為在根據本發明的方法的操作期間能夠避免在高壓和高溫下使用氣體。
在根據本發明的方法中，已證明特別有利的是，如果至少部分引入材料在熔化前轉化為至少一個合成物，所述合成物在它的熔化區間區域中和/或整個熔化區間中放出可溶解在流體金屬中的氣體。通過該措施，孔形成成分、氣體能夠在引入材料的熔化之前被製成能放出氣體的合成物形式，能夠完全放棄用於將氣體引入到熔液中的裝置。而且有利的是，轉化能夠在顯著低於金屬熔化溫度的溫度下進行。這樣，氣體能夠在低溫下引入到被限制的形式中並因此有效地節省能量。為了隨後將氣體引入到熔液中，僅需要對預處理的引入材料進行短暫的加熱而達到能放出氣體或分出氣體的合成物的分裂溫度，從而能夠減少在爐子中的保持時間並且能夠增加材料的生產量。
在根據本發明的方法中，至少部分引入材料在熔化前能夠轉化為至少一個合成物，其在它的熔化區間區域中和/或整個熔化區間中放出可溶解在流體金屬中的氣體；在優選的進一步構造中，通過與氣體或氣體的混合物的接觸進行轉化。有利的是，引入材料在表面區域的轉化程度和因此在熔化期間引入的氣體量能夠通過供應氣體流控制並且處理持續時間能夠被精確地控制。
在根據本發明的方法中，至少部分引入材料在熔化前能夠轉化為至少一個合成物，其在它的熔化區間區域中和/或整個熔化區間中放出可溶解在流體金屬中的氣體，其中與氣霧劑發生接觸。特別有利的是，如果引入材料和作為反應參與物的流體的反應釋放很大熱量。通過氣霧劑，一方面，具有運載氣體的反應參與物能夠變稀和供應到流體狀態並且在轉化期間能夠避免引入材料的局部過熱。另一方面，運載氣體影響處理的材料的熱排出或冷卻。
在根據本發明的方法中，關於至少部分引入材料在熔化前能夠轉化為至少一個合成物，其在它的熔化區間區域中和/或整個熔化區間中放出可溶解在流體金屬中的氣體，能夠進一步設置，合成物在最大250攝氏度放出氣體，優選地最大150攝氏度，大於金屬的熔化或凝結溫度。這具有如下優點，能夠保持為了從合成物中放出氣體的流體金屬過熱儘量低和用於製造金屬泡沫體的方法中所包含的能量消費儘量低。
如果引入材料是由輕金屬、尤其鎂或鎂合金形成，那麼能夠以特別簡單的方式生產高質量的金屬泡沫製成的模件，因為這些金屬具有非常好的氣體溶解特性。因此，通過在根據本發明的方法中採用輕金屬，能夠獲得金屬泡沫體的高多孔性。
如果在根據本發明的方法中，流體金屬的凝結髮生在周圍壓力的範圍是0.03巴至0.2巴，那麼能夠通過簡單的裝置獲得所生產金屬泡沫體的最大多孔性。在該選擇範圍中的周圍壓力在工藝上是簡單的並且能夠通過最簡單的裝置精確地設置和產生，例如通過所謂的噴射泵。
在根據本發明的方法的另一個有利的變型中，在引入流體金屬前預熱模具。通過該措施可以獲得，形成具有至少大部分緻密外層的金屬泡沫體，其中同時能夠最小化在緻密的外層或表面層裡面或上面的裂縫，所述裂縫在震動時候出現。
如果在根據本發明的方法中使用熱絕緣的模具，那麼生產的金屬泡沫體的密度能夠顯著地降低。這種效果的原因目前還不清楚。根據專家的觀點，為了在熔液凝結時保持引入到熔液的氣體或者防止氣體從熔液中排來，應該儘可能有效地排出熔化的物質凝結時釋放的熱量並且隨後迅速冷卻。
與上述觀點相反，然而現在已經發現，在根據使用熱絕緣模具的本發明的方法中，因此使熱排放和冷卻延遲，導致具有顯著地密度的金屬泡沫體。
具體實施例方式
下面基於實例說明本發明。
實例1生產合金AZ91的塊，其是具有鋁的重量約9％和鋅的重量約1％以及其餘鎂的鎂合金。此後，生產的材料在公開的空氣中保存幾天從而受到潮溼的空氣和雨。
在存儲之後，塊在大氣壓力下在熔化的坩堝中熔化，從而大氣由體積1％的SF6和體積99％的氬氣組成。熔融金屬被加熱到685攝氏度；然後將所述熔融金屬的約70gms填充到預熱到300攝氏度的坩堝中。隨後，將被填充的坩堝送入到低壓腔中，關閉該腔並且隨後在該腔中立即生成80毫巴的低壓。保持該低壓七分鐘，之後將該腔通風和打開並且除去坩堝。
在坩堝中，在內部形成有孔的多孔金屬泡沫體形成的密度約是0.95gm/cm3。該體的外表面主要是緻密的並且沒有裂縫。在切開泡沫體後從它的橫截面觀察，可以看出，形成的孔具有約1至4mm的直徑並且均勻地分布在整個橫截面上。緻密的外層或外皮約1mm厚。
實例2在另一個試驗中，進行一個類似實例1的過程，其中使用熱絕緣的坩堝。可以得到具有基本緻密和沒有裂縫的表面的金屬泡沫體。孔的結構相應於在實例1中所述的。與在如在實例1中所述的不是熱絕緣的坩堝中生產金屬泡沫體相比，這樣確定的金屬泡沫體的密度顯著地降低，在約0.75gm/cm3。
實例3在實例1和2中所述的試驗用AZ91型的商業的鎂帶部分進行重複。能取得近似於實例1或實例2和結果。因此，通過根據本發明的方法，同樣可以以簡單方法將循環的材料轉化為高值的功能成分。
在用循環材料的進一步試驗中，通過鎂合金的壓鑄方法的廢料作為引入的材料對於底泡沫體密度和孔的形成能夠獲得特別有利的結果。從而，進行在工藝上相似於實例1和實例2的試驗，能夠生產具有0.85gm/cm3和0.65gm/cm3的密度的鎂泡沫體。這是由於實際上在壓鑄過程中，氣體被引入到壓鑄金屬並且因此壓鑄件的部分總是多孔。現在，如果壓鑄方法的廢料用於根據本發明的方法中，氣體不僅能夠通過在表面上存在的合成體的分裂而且通過在引入材料中存在的孔或氣泡。這由具有噴沙處理的壓鑄廢料的實驗證實，導致在金屬泡沫體中更高的密度。
權利要求
1.一種用於金屬泡沫體的生產方法，其中生產包含氣體的熔融金屬並且允許所述熔融金屬在金屬泡沫體的形式下凝結，其特徵在於引入的材料在大氣壓力下熔化並且同時和/或然後引入氣體到流體金屬中，然後將所述流體金屬倒入模具中並且允許在至少一段時間後在減小的周圍壓力下凝結。
2.如權利要求1所述的方法，其中在熔化前至少部分的引入材料被轉化為至少一種合成物，所述引入材料在它的熔化區域中和/或熔化區間中放出可溶解在流體金屬中的氣體。
3.如權利要求2所述的方法，其中通過與氣體或氣體混合物的接觸使部分引入材料轉化。
4.如權利要求2所述的方法，其中通過與氣霧劑的接觸使部分引入材料轉化。
5.如權利要求2-4中任一項所述的方法，其中合成物在最大250攝氏度的溫度下放出氣體，優選地最大150攝氏度，超過金屬的熔化或凝結溫度。
6.如權利要求1-5中任一項所述的方法，其中引入材料由輕金屬，特別由鎂或鎂合金構成。
7.如權利要求1-6中任一項所述的方法，其中流體金屬的凝結髮生在周圍壓力範圍在0.03巴至0.2巴。
8.如權利要求1-7中任一項所述的方法，其中模具在引入流體金屬之前被預熱。
9.如權利要求1-8中任一項所述的方法，其中使用熱絕緣模具。
10.在如權利要求1-9中任一項所述的方法中壓鑄件廢料作為引入的材料使用。
全文摘要
本發明涉及一種金屬泡沫體的製造方法，根據該方法準備包含氣體的熔化材料並且使所述的熔化材料凝固，因此形成金屬泡沫體。本發明的目的是製造具有所需形狀的高質量金屬泡沫體，而不需要複雜的設備並且同時減小對操作者的安全風險。為了達到這個目的，使用的材料在大氣壓力下熔化並且氣體同時和/或隨後引入到熔融金屬中。然後將熔融金屬注入模具中並且使之凝固，其中周圍壓力至少暫時減小。
文檔編號B22D21/00GK1738919SQ200380108739
公開日2006年2月22日 申請日期2003年12月22日 優先權日2003年1月13日
發明者理察·克雷茨, 卡林·倫格爾, 戈特弗裡德·雷滕巴赫爾, 安東·欣特貝格爾 申請人:阿盧萊特國際有限公司