一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法

2024-03-10 11:38:15 2

一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，首先，將金屬長纖維絲材進行編織，形成編織體，所述編織體外形最小特徵尺寸大於金屬長纖維絲材橫截面最大幾何特徵尺寸的5倍，且當金屬長纖維絲材橫截面為圓形時，編織體外形最小特徵尺寸大於5倍絲徑；其次，對編織體進行冶金結合工藝，使絲材之間接觸的地方實現冶金結合，而絲材之間沒有接觸的地方則構成了孔隙，且孔隙沿絲材軌跡方向分布；最終便可製造獲得所需的長纖維多孔隙金屬材料。本發明方法製造的長纖維多孔隙金屬材料，長纖維是連續的，具有絲材高的力學性能、高的疲勞強度和抗衝擊性能，同時具有常規體積材料的剛度，可以像普通金屬材料一樣加工成承力和構成結構形狀的機械零件。
【專利說明】一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及多孔隙材料製造的【技術領域】，尤其是指一種長纖維多孔隙金屬材料的 製造方法。

【背景技術】
[0002] 鑄造模具注入熔融金屬時氣體物質或空氣不能從鑄模內排出，就會產生熔融金屬 流動性不佳及在鑄件中形成氣體缺陷等問題。塑料注射成型過程中，必須將模腔中的空氣、 聚合物中析出的氣體以及塑料原料和脫模劑中揮發出的水蒸氣完全徹底地排除乾淨，如果 模腔中的氣體不能順利排除，則會造成充不滿、製品產生熔接痕跡、裂紋、黑斑等表面質量 缺陷。為了避免這些問題，在鑄模、塑料模具上設計通氣孔或排氣系統。但是，不可能在鑄 模、塑料模具所有需要排氣的部分設置排氣孔，時常會出現模具中氣體不能順利排出，造成 成型的產品質量問題。
[0003] 日本專利第6-33112號公開了一種生產多孔模具材料的方法，這種方法包括：壓 縮金屬粉末混合物以形成壓實體，混合物包括主要由低C和低N-Cr不鏽鋼顆粒構成的80 % 重量的粉末和20%重量的不鏽鋼短纖維，這種不鏽鋼短纖維的直徑為20至100微米，長度 為0. 4至3. 0_，再將壓實體燒結成燒結體，在氮氣氣氛中加熱形成氮化體，並將氮化體以 5. 5°C /分鐘或更大的平均冷卻速率迅速冷卻至250°C或更低的溫度，在500至650°C的溫 度再熱冷卻的氮化體。公開（公告）號：CN1153688新東工業株式會社申請號為96112336. 2 用於鑄造的多孔模具材料及其生產方法，使用主要含有鐵素體不鏽鋼顆粒的粉末與不鏽鋼 短纖維的混合物，經過加壓、燒結、噴射氮氣處理及冷卻及再次加熱製成的，多孔模具材料 含有20至50微米範圍的孔，孔隙率為25至35%。申請號為2006100370076中國發明專 利一種自透氣性金屬模具的製造方法，對金屬粉末進行粒度分級，為了提高透氣性不鏽鋼 金屬塊體材料的強韌性，在不鏽鋼粉末中加入不鏽鋼短纖維粉末，不鏽鋼短纖維粉末添加 量約為5%?30%。壓制金屬粉末塊體生坯，然後將金屬粉末塊體生坯燒結獲得透氣性金 屬塊體，通過機械加工方法或電加工方法將透氣性金屬塊體製造成透氣性金屬模具型腔零 件，將透氣性金屬模具型腔零件與成型模具的其它零件組合構成成型模具。採用粉末冶金 透氣鋼自身具有連通的微孔隙，氣體可以直接從模具材料中透出，具有理想的排氣功能，模 具上不必再設置通氣孔和排氣系統，因此帶來許多技術效果，如改善熔融金屬在模腔中的 流動性及減少氣體缺陷等。但金屬粉末燒結多孔材料的缺點是：材質不連續，粉和粉之間的 燒結界面是材料的薄弱環節，材質較脆、抗衝擊性能差，不耐腐蝕、使用壽命短，製造工藝復 雜、成本很高。
[0004] 金屬絲材的生產方法有單絲拉拔法、集束拉拔法、切削法、熔抽法等，纖維直徑可 達1?2 μ m，強度高達1200?1800MPa，因而具有較高的抗拉強度和高的疲勞強度，用來制 造鋼絲繩和橋梁拉索及琴弦等。但絲材直徑較小容易彎曲變形，編成繩後也不具有剛度，仍 容易彎曲變形，無法製造成結構零件。有的將金屬纖維編織作為複合材料的增強體，有的將 金屬纖維切斷加入到粉末材料和複合材料中提高材料的強度和抗衝擊性能。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在於克服現有技術的不足與缺陷，提供一種具有高力學性能和高疲 勞強度性能的長纖維多孔隙金屬材料的製造方法。
[0006] 為實現上述目的，本發明所提供的技術方案為：一種長纖維多孔隙金屬材料的制 造方法，首先，將金屬長纖維絲材進行編織，形成編織體，所述編織體外形最小特徵尺寸大 於金屬長纖維絲材橫截面最大幾何特徵尺寸的5倍，且當金屬長纖維絲材橫截面為圓形 時，編織體外形最小特徵尺寸大於5倍絲徑；其次，對編織體進行冶金結合工藝，使絲材之 間接觸的地方實現冶金結合，而絲材之間沒有接觸的地方則構成了孔隙，且孔隙沿絲材軌 跡方向分布；最終便可製造獲得所需的長纖維多孔隙金屬材料。
[0007] 當需要獲得小孔隙尺寸的多孔隙金屬材料時，可對編織體進行金屬塑性壓力加 工，壓縮一下編織體，使編織體內孔隙尺寸減小，並使絲材之間實現冶金結合，最終便可制 造獲得小孔隙尺寸的長纖維多孔隙金屬材料。
[0008] 所述冶金結合可通過加熱燒結實現。
[0009] 所述塑性壓力加工對於室溫條件下易於塑性變形的金屬進行冷塑性壓力加工；而 對於室溫條件下難於塑性變形的金屬，則需在金屬的熱塑性加工溫度範圍內進行，即先對 金屬長纖維絲材編織而成的編織體進行加熱，達到金屬的熱塑性加工溫度後，再對編織體 進行塑性壓力加工。
[0010] 將金屬長纖維絲材進行緊密編織之前，可先對其進行表面處理，使絲材表面生成 表面膜。
[0011] 所述編織體為繩索、管、型材、板狀或塊狀。
[0012] 所述塑性壓力加工有鍛壓、擠壓、拉拔或軋制。
[0013] 所述長纖維多孔隙金屬材料為線材、棒材、管材、型材、板材或塊體材料。
[0014] 所述表面處理有滲氮、滲碳、鍍鉻、鍍鎳或鍍鋅。
[0015] 本發明與現有技術相比，具有如下優點與有益效果：
[0016] 1、由於材料是纖維編織獲得，纖維相互約束，互相制約；
[0017] 2、本發明方法製造的長纖維多孔隙金屬材料，長纖維是連續的，具有絲材高的力 學性能、高的疲勞強度和抗衝擊性能，同時具有常規體積材料的剛度，可以像普通金屬材料 一樣加工成承力和構成結構形狀的機械零件，如加工成汽車連杆軸類件、齒輪運動傳遞件、 彈簧、底盤、板料衝壓成形件等，又由於材料含微孔隙，密度相對於同材質的無孔隙材料小， 可以實現機械結構的輕量化；
[0018] 3、採用的絲材直徑相同時，編織燒結後形成的材料孔隙均勻；
[0019] 4、通過表面處理附著在絲材表面的物質隨著絲材均勻地分布到製備的材料中，可 以提高材料的力學性能；
[0020] 5、對絲材進行表面處理後，表面膜完整地包覆在絲材的表面，編織燒結之後絲材 的表面膜隨絲材均勻地分布到了製備的新材料之中，製備出的長纖維多孔隙金屬材料的每 一根纖維都受到表面膜的保護，金屬體積材料抗腐蝕性能得到大幅提高；
[0021] 6、易於控制孔隙的最終尺寸大小，及孔隙尺寸的分布；
[0022] 7、製得的孔隙沿纖維編織方向分布，氣體透過阻力小，透氣快，採用鋼絲作為金屬 長纖維絲材，可製造獲得透氣模具鋼；
[0023] 8、工藝簡單操作方便，易於製造大尺寸的多孔隙材料，效率高，成本低。

【具體實施方式】
[0024] 下面結合多個具體實施例對本發明作進一步說明。
[0025] 實施例1
[0026] 本發明所述長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其情況為：首先，將金屬長纖維絲 材進行編織，形成編織體（可以編織為繩索、管、型材、板狀或塊狀等），所述編織體外形最 小特徵尺寸大於金屬長纖維絲材橫截面最大幾何特徵尺寸的5倍，且當金屬長纖維絲材橫 截面為圓形時，編織體外形最小特徵尺寸大於5倍絲徑；其次，對編織體進行冶金結合工藝 (可通過加熱燒結實現），使絲材之間接觸的地方實現冶金結合，而絲材之間沒有接觸的地 方則構成了孔隙，且孔隙沿絲材軌跡方向分布；最終便可製造獲得所需的長纖維多孔隙金 屬材料（可以為線材、棒材、管材、型材、板材或塊體材料）。當需要獲得小孔隙尺寸的多 孔隙金屬材料時，可對編織體進行金屬塑性壓力加工（當被加工材料達到需要的孔隙尺寸 大小時停止塑性壓力加工，所述塑性壓力加工有鍛壓、擠壓、拉拔或軋制等），壓縮一下編織 體，使編織體內孔隙尺寸減小，並使絲材之間實現冶金結合，最終便可製造獲得小孔隙尺寸 的長纖維多孔隙金屬材料，其中，所述塑性壓力加工對於室溫條件下易於塑性變形的金屬， 在室溫條件下進行冷塑性加工；而對於室溫條件下難於塑性變形的金屬，則需在金屬的熱 塑性加工溫度範圍內進行，即先對金屬長纖維絲材編織而成的編織體進行加熱，達到金屬 的熱塑性加工溫度後，再對編織體進行塑性壓力加工。
[0027] 而在本實施例中，是採用直徑35微米的H13鋼絲材100根作為一束，通過編繩機 將多束絲材編織成直徑300毫米的粗繩索，然後將編織好的直徑300毫米的粗繩索置於真 空加熱爐中燒結，加熱達到1250攝氏度保溫兩小時，使絲材之間實現冶金結合，製造獲得 具有長纖維多孔隙的H13鋼棒材。
[0028] 實施例2
[0029] 與實施例1不同的是本實施例將實施例1製造獲得具有長纖維多孔隙的不鏽鋼棒 材在室溫條件下進行冷鍛，使材料的直徑減小10%，提高材料的密度，減小孔隙的尺寸。
[0030] 實施例3
[0031] 與實施例1不同的是本實施例H13鋼絲材經過退火軟化處理，編織成直徑300毫 米的粗繩索後進行鍛壓，然後置於真空加熱爐中燒結。
[0032] 實施例4
[0033] 與實施例1不同的是本實施例的金屬絲材為純銅，實現冶金結合時是在真空加熱 爐中加熱達到810攝氏度保溫兩小時。
[0034] 實施例5
[0035] 與實施例1不同的是本實施例的金屬絲材為鋁青銅，實現冶金結合時是在真空加 熱爐中加熱達到880攝氏度保溫兩小時。
[0036] 實施例6
[0037] 與實施例1不同的是本實施例的金屬絲材為純鋁，實現冶金結合時是在真空加熱 爐中加熱達到530攝氏度保溫兩小時。
[0038] 實施例7
[0039] 與實施例1不同的是本實施例的金屬絲材為鋁合金，實現冶金結合時是在真空加 熱爐中加熱達到550攝氏度保溫兩小時。
[0040] 實施例8
[0041] 與實施例1不同的是本實施例在真空加熱爐中燒結時進行熱壓。
[0042] 實施例9
[0043] 與實施例1不同的是本實施例所述金屬絲材為不鏽鋼絲材。
[0044] 實施例10
[0045] 與實施例1不同的是本實施例所述金屬絲材為軸承鋼絲材。
[0046] 實施例11
[0047] 與實施例1不同的是本實施例採用的絲材直徑為2000微米。
[0048] 實施例12
[0049] 與實施例1不同的是本實施例將實施例1中製造獲得的棒材打扁軋製成厚度為1 毫米的板材。
[0050] 實施例13
[0051] 與實施例1不同的是本實施例將實施例1中編織獲得的直徑300毫米粗繩索，切 割成長度為500毫米的圓柱體，加熱達到1250攝氏度，再將熱的圓柱體置於擠壓筒中，從芯 杆直徑為50毫米、出口直徑為290毫米的管子擠壓模具中擠過，製造獲得外徑為290毫米、 孔徑為50毫米、璧厚為120毫米的管材，由於擠壓變形小，材料內的孔隙不會完全消除，獲 得的管材材料含有微小孔隙。
[0052] 實施例14
[0053] 與實施例1不同的是本實施例採用直徑100微米的20鋼絲材，編織成長2000毫 米、寬500毫米、厚5毫米的編織板體，再將編織板體加熱達到金屬絲材的熱塑性加工溫度 1050攝氏度，然後將熱的編織板材料置於板材軋制機的軋輥之間進行軋制加工，控制軋制 變形量，從而控制材料內孔隙尺寸大小，再燒結使絲材之間實現冶金結合，製造獲得具有長 纖維多孔隙金屬板，用於製造汽車的覆蓋件。
[0054] 實施例15
[0055] 與實施例1不同的是本實施例採用直徑100微米的20鋼絲材，編織成長1000毫 米、寬500毫米、高150毫米的編織體，再將編織塊體加熱達到金屬絲材的熱塑性加工溫度 1210攝氏度，然後將熱的編織塊體材料置於鍛造設備的鍛模之間進行鍛壓加工，控制鍛壓 變形量，當材料內孔隙尺寸達到10至20微米時停止鍛壓，再燒結使絲材之間實現冶金結 合，製造獲得具有長纖維多孔隙金屬塊體，用於製造成透氣模具，應用於鑄造和塑料成型。
[0056] 實施例16
[0057] 與實施例15不同的是本實施例所述的金屬絲材在進行編織前，先經過滲氮表面 處理，絲材表面生成氮化表面膜，具有氮化表面膜層的金屬絲材緊密編織製造成具有長纖 維多孔隙的金屬材料。
[0058] 實施例17
[0059] 與實施例16不同的是本實施例所述的金屬絲材經過滲碳表面處理，絲材表面生 成碳化表面膜。
[0060] 實施例18
[0061] 與實施例16不同的是本實施例所述的金屬絲材經過碳氮共滲表面處理。
[0062] 實施例19
[0063] 與實施例16不同的是本實施例所述的金屬絲材經過鍍鎳表面處理。
[0064] 實施例20
[0065] 與實施例16不同的是本實施例所述的金屬絲材經過鍍鎳之後再鍍鉻。
[0066] 實施例21
[0067] 與實施例1不同的是本實施例採用直徑35微米的lCrl8Ni9不鏽鋼絲材，通過編 繩機編織成直徑1毫米的繩索，再將直徑1毫米的繩索編織成直徑30毫米繩索，將直徑30 毫米繩索加熱達到1150攝氏度，然後將30毫米繩索從出口直徑為28毫米的拉拔模具中拉 過，使繩索的外徑減小，絲材之間的孔隙尺寸減小，最後通過對繩索進行加熱燒結，實現絲 材之間的冶金結合，製造獲得直徑為28毫米長纖維多孔隙不鏽鋼線材。
[0068] 實施例22
[0069] 與實施例21不同的是本實施例將直徑30毫米的lCrl8Ni9不鏽鋼繩索置於璧厚 為5毫米的20鋼管中進行包覆冷拉拔。
[0070] 實施例23
[0071] 與實施例21不同的是本實施例採用直徑100微米的鋁青銅絲材20根作為一束， 通過編繩機將多束編織成直徑為100毫米的繩，再將直徑為100毫米的繩加熱達到鋁青銅 絲材的熱塑性加工溫度850攝氏度，然後將100毫米繩索從出口直徑為90毫米的拉拔模具 中拉過，使繩索的外徑減小，構成繩索的絲材之間的孔隙尺寸減小，再燒結使絲材之間實現 冶金結合，製造獲得直徑為90毫米具有長纖維多孔隙鋁青銅線材。
[0072] 實施例24
[0073] 與實施例21不同的是本實施例將直徑50微米的lCrl8Ni9退火軟化處理的不鏽 鋼絲材編織成管，再從浮動芯模管子拉拔裝置中進行冷拉拔，製造獲得材料含微孔隙的無 縫鋼管。
[0074] 實施例25
[0075] 與實施例21不同的是本實施例將直徑50微米的lCrl8Ni9退火軟化處理的不鏽 鋼絲材編織成工字型材，再從工字型材拉拔模具中進行冷拉拔，製造獲得材料含微孔隙的 工字型材。
[0076] 實施例26
[0077] 與實施例1不同的是本實施例採用直徑35微米的lCrl8Ni9不鏽鋼絲材100根作 為一束，通過編繩機將多束絲材編織成直徑200毫米粗繩索，再切割成長度為300毫米的圓 柱體，加熱達到1250攝氏度，再將熱的圓柱體置於擠壓筒中，從出口直徑為96毫米的擠壓 模具中擠過，使材料的外徑減小，絲材之間的孔隙尺寸減小，再燒結使絲材之間實現冶金結 合，製造獲得直徑為96毫米具有長纖維多孔隙不鏽鋼棒材。
[0078] 綜上所述，本發明方法的原理是：當把多根絲材編織在一起達到一定的尺寸，就形 成一定尺寸大小的編織體，進行冶金結合時，絲材之間接觸的地方會冶金結合，絲材之間沒 有接觸的地方就構成孔隙，而且孔隙是沿絲材軌跡方向排布的，因而絲材編織冶金結合後 就製造獲得多孔隙材料。塑性壓力加工對材料進行了壓縮，材料中的孔隙尺寸在壓縮時會
【權利要求】
1. 一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：首先，將金屬長纖維絲材進 行編織，形成編織體，所述編織體外形最小特徵尺寸大於金屬長纖維絲材橫截面最大幾何 特徵尺寸的5倍，且當金屬長纖維絲材橫截面為圓形時，編織體外形最小特徵尺寸大於5倍 絲徑；其次，對編織體進行冶金結合工藝，使絲材之間接觸的地方實現冶金結合，而絲材之 間沒有接觸的地方則構成了孔隙，且孔隙沿絲材軌跡方向分布；最終便可製造獲得所需的 長纖維多孔隙金屬材料。
2. 根據權利要求1所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：當需 要獲得小孔隙尺寸的多孔隙金屬材料時，可對編織體進行金屬塑性壓力加工，壓縮一下編 織體，使編織體內孔隙尺寸減小，並使絲材之間實現冶金結合，最終便可製造獲得小孔隙尺 寸的長纖維多孔隙金屬材料。
3. 根據權利要求1或2所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於： 所述冶金結合可通過加熱燒結實現。
4. 根據權利要求2所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：所述 塑性壓力加工對於室溫條件下易於塑性變形的金屬進行冷塑性壓力加工；而對於室溫條件 下難於塑性變形的金屬，則需在金屬的熱塑性加工溫度範圍內進行，即先對金屬長纖維絲 材編織而成的編織體進行加熱，達到金屬的熱塑性加工溫度後，再對編織體進行塑性壓力 加工。
5. 根據權利要求1所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：將金 屬長纖維絲材進行緊密編織之前，可先對其進行表面處理，使絲材表面生成表面膜。
6. 根據權利要求1所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：所述 編織體為繩索、管、型材、板狀或塊狀。
7. 根據權利要求2所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：所述 塑性壓力加工有鍛壓、擠壓、拉拔或軋制。
8. 根據權利要求1所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：所述 長纖維多孔隙金屬材料為線材、棒材、管材、型材、板材或塊體材料。
9. 根據權利要求5所述的一種長纖維多孔隙金屬材料的製造方法，其特徵在於：所述 表面處理有滲氮、滲碳、鍍鉻、鍍鎳或鍍鋅。
【文檔編號】C22C47/20GK104099539SQ201410274144
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】周照耀, 吳菲 申請人:華南理工大學