泡沫金属的制造工艺可分为铸造法、发泡法、烧结法和沉积法等。

1.铸造法

(1)工艺原理。先在铸模内填充粒子,再采用加压铸造法把熔融金属或合金压入粒子间隙中,冷却凝固后即形成多孔泡沫金属。铸造法又可细分为熔模铸造法和渗流铸造法两种。随不同的铸造方式可以覆盖很宽的孔隙率范围和具备各种形状的孔隙。

(2)工艺过程。

①渗流铸造法。将金属液渗入装有耐高温且可去除颗粒的铸模中,然后去除颗粒产生三维网络互相连通的多孔金属。由于大多数金属的表面张力较大,在重力作用下很难完全填充颗粒间隙,出现了压力渗流法、真空渗流法及将造孔剂抽真空然后加压渗流等新工艺。

②熔模铸造法。熔模铸造法是将高熔点液态材料充入海绵状泡沫塑料孔隙中固化,整体加热使塑料组分蒸发,得到海绵孔隙模型,然后再将液态金属浇入铸型中冷却和凝固,去除高熔点材料,最终得到海绵状多孔金属。高熔点材料一般为莫来石、酚醛树脂、碳酸钙或石膏的混合物。

(3)特点与应用。与其它各种工艺方法相比,铸造法具有生产工艺简单、成本较低和孔结构均匀等优点,便于工业推广应用。铸造法适用低熔点合金,典型代表是泡沫铝,其中产品大多为闭孔隙和半通孔的多孔材料,但也可铸成三维连通孔隙的高孔率产品。

2.熔体发泡法

(1)原理。发泡法的原理是通过向液态金属基体材料中加入发泡剂,加热使发泡剂分解产生气体,气体膨胀使基体材料发泡,冷却后即得到泡沫金属。

(2)工艺。根据所使用的基体材料的不同,可分熔融金属发泡法、粉体发泡法,浆料发泡法和气体发泡法。如图6-33所示。

图6-33　熔体发泡法示意图

①粉体发泡法是将金属粉末和发泡剂粉末混匀,加热到金属熔点以上使之发泡,既适用于铝和镁等低熔点金属,又适用于较高熔点的金属。

②熔融金属发泡法是将发泡剂直接加到金属熔液中使之发泡。

这两种方法是制造泡沫金属的最基本方法。发泡法的工艺原理比较简单,但发泡过程难以控制,孔的结构不均匀。

(3)发泡剂。熔体发泡法要求发泡剂与熔液混合均匀前应尽可能少分解,在停止混合至开始凝固前的一定时间间隔内要充分分解并有足够的发气量。目前,国内外一般采用金属氢化物Ti H2或ZrH2作为发泡剂。也有采用石灰石及火山灰作发泡剂,以降低成本。

(4)制备工艺。包括熔体增粘处理、泡沫化、均匀化和凝固等工艺过程。后三个过程同时进行,受许多工艺因素的影响,在实际操作中很难控制。其发展的方向是引入计算机模拟技术,用以处理实物研究中难以解决的问题。

(5)应用。发泡法主要用来制取泡沫铝,泡沫铅在铅-酸电池中能够代替传统的铅材料作为活性物质的载体,可制作非常轻的电极。由熔体发泡法制备的颗粒增强多孔泡沫铝可用于阻火器,阻止可燃气体燃烧时火焰的蔓延。泡沫铝芯钢板可用作汽车、卡车、火车及其它车辆的吸能材料。(www.daowen.com)

3.烧结法

烧结法又称粉末法,就是以金属粒子或金属纤维作原料,在较高温度时物料产生初始液相,在表面张力和毛细管的作用下,物料颗粒相互接触,相互作用,冷却后物料发生固结而成为泡沫金属。为了使物料易于成型,可采用粘结剂,但粘结剂必须在烧结时除去。为了提高泡沫金属的孔隙率,可采用填充剂,填充剂同样也需要在烧结时发生升华、溶解或分解。氯化铵和甲基纤维素均可作为填充剂。根据原料的不同,可分为金属粉末烧结法和纤维烧结法。

粉末法是将金属粉末与添加剂均匀混合压制成预制体,再加热或烧结预制体得到泡沫金属。预制块的制备方法主要有冷压法、热压法、挤压法、热轧法等,为了提高预制块的塑性,热压前进行烧结。添加发泡剂,使预制块受热膨胀得到闭孔泡沫材料属于粉末冶金法,发泡阶段处于液态;添加造孔剂,除去预制块中造孔剂,烧结得到开孔泡沫材料属于粉末造孔剂法,整个过程处于固态。

烧结法主要用来制取不锈钢、镍及镍基合金泡沫金属。应用纤维烧结法制备的多孔金属的渗透性比粉末法制取的高几十倍,可用于许多过滤环境苛刻的行业,被称为“第二代多孔金属过滤材料”。高孔隙率的粉末冶金多孔材料由于其大的比表面积,已在燃料电池中获得了应用。

参考文献

1.赵祖德,罗守靖.轻合金半固态成形技术.化学工业出版社,2007

2.管仁国,马伟民.金属半固态成形理论与技术.冶金工业出版社,2005

3.张济山,熊柏青,崔华.喷射成形快速凝固技术,科学出版社,2008

4.王自东.非平衡凝固理论与技术.机械工业出版社,2011

5.刘培生,陈祥.泡沫金属.中南大学出版社,2012

思考题

1.半固态铸造的原理和工艺特点是什么?

2.触变铸造与流变铸造有何不同?

3.急冷快速凝固有哪些方法,其产品特征是什么?

4.什么叫大过冷凝固技术,如何才能实现?

5.泡沫金属的概念是什么?其种类有哪些?

6.你认为适合工业化生产的泡沫铝工艺是什么?