专利名称：中空陶瓷球闭孔泡沫金属件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种金属构件及其制备方法，特别涉及一种泡沫金属构件及其制备方法，确切地说是一种中空陶瓷球闭孔泡沫金属件及其制备方法。
背景技术：
泡沫金属中以泡沫铝研究最多，尤其是用发泡法制备泡沫铝的研究有很多，其最大优势在于成本相对低廉，可以大规模生产；但是存在孔结构不均匀和工艺控制困难的弱点，不易获得大尺寸的泡沫金属，使其应用受到限制；另外，该法所获得的泡沫金属材料因为常规的后续机械加工困难，故很难得到复杂形状的产品，这也限制了其在汽车，航天航空和军事等诸多工业上的广泛应用(H.P.Degischer，D.kriszt，Handbook of Cellular MetalsProduction，Processing，Application9-12)。除发泡法以外，还有渗流法、粉末冶金法和球料法。
渗流法具有结构可控和孔洞贯通等特点，但工艺过程相对复杂，成本高，有污染，只能生产开孔泡沫金属[1.王祝堂，泡沫铝材的生产工艺、组织性能及应用市场(1)，《轻合金加工技术》，1999，27(10)5-10；2.刘荣佩，左孝青，泡沫金属渗流铸造工艺及填料的研究，昆明理工大学学报，25(4)29-31]。发泡法可获得闭孔的泡沫金属[1.Minnear W P，BewlayB P.，US Patent 5213612；2.中国专利(授权公告号1058058C)；3.中国专利(公开号1320710A)。
粉末冶金法可以生产形状相对复杂的泡沫铝，但存在成本高，孔结构不均匀，需要专用的模具和特制的气氛烧结炉，且只能制备尺寸相对较小样品等缺点，限制了其大规模工业生产。
国外还有研究者采用中空金属铁球(粉末冶金法获得)分布在熔融铝液中以后冷却的方法制备闭孔泡沫铝，这就是所谓的球料，但中空铁球(或其他中空金属球)的获得非常困难，原料成本高和制备工艺复杂，中空铁球和基体铝之间还会发生反应，产生脆性相(A.Rabiei，A.T.O’Neill，A study on processing of a composite metal foam via casting，MaterialsScience and Engineering A 2005(404)159-164)。
可见，目前闭孔泡沫金属材料存在结构性能的稳定性、重现性差，整体形状简单，工艺复杂，价格高等的难题，限制了其大规模生产和广泛应用。
公开号为1424416A的中国专利使用空心的玻璃珠分布在铝液中浇铸冷却，获得了泡沫铝，这种方法只能适合于低熔的金属，对于高熔点的金属，空心的玻璃珠的预热温度过高，会使其软化；公开号为1584077A的中国专利使用取自粉煤灰中的漂珠分布在铝液中浇铸冷却，获得了泡沫铝，漂珠只占粉煤灰的5％左右，分离比较麻烦，颗粒尺寸只在微米极，难以制备大孔的泡沫铝。
发明内容
本发明针对渗流法和粉末冶金法工艺复杂、球料法中使用中空金属球、玻璃珠、漂珠造孔在存在的缺陷，采用中空陶瓷球造孔以及相应的铸造法旨在提供一种工艺相对简单的方法，但却能制备微结构均匀和整体形状可控以及无需或少许后续加工就可直接使用的闭孔泡沫金属构件。
本发明所称的中空陶瓷球闭孔泡沫金属件是指在熔融的金属液中均匀分散中空陶瓷球后于模具中成型得到的包括中空陶瓷球1和金属基体2的中空陶瓷球闭孔泡沫金属件。
中空陶瓷球粒径大小和添加量可根据泡沫金属件的用途所需的微观结构来确定。添加量可在30vt％(体积百分比，下同)、35vt％、40vt％直至80vt％之间选择。
本泡沫金属件的制备方法包括金属熔融、浇模、冷却、固化和脱模，其特征在于所述的浇模在熔融的金属液中加入经预热的中空陶瓷球，通过搅拌下降温或/和添加增稠剂的方法，使中空陶瓷球分散均匀后浇模。
将中空陶瓷球预热旨在防止金属液局部凝固，影响均匀性和流动性。
降温或者添加增稠剂旨在提高金属液的粘度，阻滞中空陶瓷球在金属液中的自由运动，有利于中空陶瓷球均匀分散和相对定位。所述的增稠剂为金属钙或镁等，添加量为0.1～5wt％(重量百分比，下同)。
所述的中空陶瓷球可以以氧化铝、氧化钛、氧化锆、氧化镍等或者非金属矿如硅藻土、膨润土、高岭土、凹凸棒土或者粉煤灰，煤矿石等为原料用公知的中空球成型法成型、炉窑法烧结得到。
中空陶瓷球不导电、隋性大，与金属不反应，不影响泡沫金属的各项物理性能，而且，由于陶瓷的强度一般情况下高于金属，因此反而有利于提高泡沫金属件的力学强度。其自身的强度只要确保在搅拌和浇注灌模时不破裂即可，对此，按公知的方法制备的中空陶瓷球就能满足。另外，中空陶瓷球表面的毛细孔与粗糙度也有利于提高其与金属基体的润湿性，使结合更加牢固、整体强度增强。陶瓷球表面的粗糙度可以通过原料粉体的粒径和烧结温度很方便地加以控制。中空陶瓷球耐高温，抗氧化，适用性强，可用于各类闭孔泡沫金属的制备，包括铝、铁(钢)、铜、铅、钛、镍、锡、锌和镁等金属。
利用本发明，在降低成本、简化工艺的基础上，获得了微结构均匀、可控，形状复杂的泡沫金属件，而且重现性好，不需或少需后续的机械加工就可满足形状设计要求而直接使用，适于航天航空、火车、汽车、轮船、军事装备等运输工具以及会议室、音乐厅和高速公路等场合。
四
附图所示是一件中空陶瓷球闭孔泡沫金属工程件的剖面结构示意图，两端的孔相互平行，孔的中心线与轴线垂直。图中1为中空陶瓷球，2为金属基体。
五具体实施例方式
1、根据泡沫铝件的用途所需的形状制作模具。将金属铝熔融得到铝液(金属铝的熔点660℃)。将中空硅藻土陶瓷球预热到655℃左右。在搅拌下向铝液中加入75vt％的中空硅藻土陶瓷球，继续搅拌并缓缓降温至650℃左右，将该混合铝液浇注至模具中，冷却、成型后得到中空硅藻土陶瓷球闭孔泡沫铝。
2、制作模具。熔融铁(钢)得到液态铁(钢)。将中空氧化铝陶瓷球预热至铁(钢)熔点附近，搅拌下加入35vt％的中空氧化铝陶瓷球，然后加入0.3wt％的金属钙或者镁，搅拌均匀后，将混合的铁(钢)液浇注至模具中，冷却成型后得到中空氧化铝陶瓷球闭孔泡沫铁(钢)件。
3、制作模具。熔融金属铜(熔点1083℃)得到铜液。将中空凹凸棒土陶瓷球预热至1080℃左右，搅拌下加入70vt％的该陶瓷球，然后加入0.5wt％的金属钙或者镁，搅拌均匀并缓缓降温至1075℃左右，将该混合铜液浇注至模具中，冷却成型后得到中空凹凸棒土陶瓷球闭孔泡沫铜件。
4、按实施例1或2或3的方法制备中空陶瓷球闭孔泡沫铅件。
5、按实施例1或2或3的方法制备中空陶瓷球闭孔泡沫锌件。
6、按实施例1或2或3的方法制备中空陶瓷球闭孔泡沫锡件。
7、按实施例1或2或3的方法制备中空陶瓷球闭孔泡沫镍件。
权利要求
1.一种中空陶瓷球闭孔泡沫金属件，其特征在于在熔融的金属液中均匀分散中空陶瓷球后于模具中成型得到的包括中空陶瓷球(1)和金属基体(2)的中空陶瓷球闭孔泡沫金属件。
2.根据权利要求1所述的泡沫金属件，其特征在于中空陶瓷球(1)的体积百分比为30～80vt％。
3.由权利要求1所述的泡沫金属件的制备方法，包括金属熔融、浇模、冷却、固化和脱模，其特征在于在熔融的金属液中加入经预热的中空陶瓷球、通过搅拌下降温或/和添加增稠剂的方法使中空陶瓷球分散均匀后浇模。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述的增稠剂为金属钙或镁，添加量为0.1～5wt％。
全文摘要
一种中空陶瓷球闭孔泡沫金属件是在熔融的金属液中均匀分散中空陶瓷球后于模具中成型得到的包括中空陶瓷球(1)和金属基体(2)的中空陶瓷球闭孔泡沫金属件。在熔融的金属液中加入经预热的中空陶瓷球，通过搅拌降温或/和添加增稠剂的方法使中空陶瓷球分散均匀后浇注模具，冷却、成型。本发明工艺简单，重现性好，能获得微结构可控、形状复杂的泡沫金属件。不需或少需后续的加工就可满足形状设计要求而直接使用。
文档编号B22D19/00GK1843664SQ20061003977
公开日2006年10月11日 申请日期2006年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者张学斌 申请人:合肥工业大学