Vol.28No.9Sep.2007铸造技术
FOUNDRYTECHNOLOGY
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铸造法制备泡沫金属材料
王宏伟1,2,李庆芬1,李智伟2,朱兆军2,魏尊杰2
(1.哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.哈尔滨工业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈
尔滨150001)
摘要:泡沫金属是一种集力学性能、热电性能、声学等性能于一体的宏观结构2功能一体化的环保材料,由于其巨大的应用前景,在工业领域,特别是汽车和航空航天领域受到了越来越广泛的重视。泡沫金属的制备方法很多,与其它制备方法相比,基于金属熔体的铸造法具有产量大、成本相对低廉、易于工业生产等优点,因而已被广泛研究并已部分实现了产业化。本文对当前应用于泡沫金属研究领域的几种铸造方法的工艺过程进行了详细介绍,并分析了其优缺点。关键词:泡沫金属;铸造法;制备方法;工艺特点
中图分类号:TB34 文献标识码:A 文章编号:100028365(2007)0921257205
PreparationofMetalFoamgstigy
WANGHong2wei1,2,LIQing2fen1,LI2Zun2jie2
(1.CollegeofMechanicalandElectricalEUniversity,Harbin150001,China;2.SchoolofMaterialsScienceand,HofTechnology,Harbin150001,China)
Abstract:Metalandfunctionalmaterialwhichhasmechanical
properties,,acousticsperformance.Duetoitshugeapplicationprospect,metalhasattractedmuchmoreattentionsinindustryincreasingly,especiallyinautomobilesandaerospacefield.Therearemanywaystoproducemetalfoam.Comparedwithotherfabricationmethods,melt2basedcastingmethodshastheadvantagesofhighoutput,relativelyinexpensiveandeasyproduction,thusithasbeenwidelyinvestigatedandsomemetalfoamshavebeenbroughtaboutindustrialization.Severalcastingmethodsadoptedintheresearchofmetalfoamarereviewedindetail,andtheadvantageanddisadvantagesarepointedout.
Keywords:Metalfoam;Castingmethod;Fabricationmethod;Processingfeatures
多孔金属材料是一种结构2功能一体材料,作为结构材料,具有质轻、比强度高、比刚度高的特点;作为功能材料,具有减振、阻尼、吸音、隔音、散热、吸收冲击能、电磁屏蔽等特点[1～3]。因此在航空航天及民用工业中具有广泛的应用前景。日本住友电工公司生产的泡沫铝被用于制造汽车的某些耐热、耐磨部件和扬声器的部件,制作空调配电室的隔音墙;泡沫铝还被用于作为精密仪器的防震装置材料等。其他如用于升降机传送器安全垫、高速磨床防护罩吸能内衬等[4]。
美国的Soknik于1948年首先提出了利用汞在铝熔体中气化制取泡沫铝的设想,而后Elliott发展了这一设想,于1951年成功制备出了泡沫铝[5]。在50多年的发展历程中,出现了多种泡沫金属的制备方法,如
收稿日期:2006210230; 修订日期:2007206228
基金项目:黑龙江省博士后基金资助项目(项目编号:LSGH204129)
),黑龙江哈尔滨人,博士.研究方向:金属热作者简介:王宏伟(19682
粉末冶金法、电化学沉积法,铸造法等,其中铸造法由于产量大,价格相对低廉,易于实现工业化生产等优点,始终是多孔金属研究的主要制备方法。如美国罗阿公司及美日合作分别用直接发泡法和熔模铸造法成功地制取了铝合金牌号为7075、ALMAG35的泡沫铝型材。
本文主要介绍当前应用于制备泡沫金属的几种铸造方法的原理和工艺过程。1 气体注入法
气体注入法是向熔融的金属熔体内直接吹入气体,从而使金属熔体发泡。发泡用的气体可以是氧气、氩气、空气、水蒸气、二氧化碳等。其关键技术是使金属熔体具有合适的粘度,一般采取添加钙和碳化硅粉增粘剂等措施来增加金属熔体的粘度,金属的成分应保证足够宽的发泡温度区间,使所形成的泡沫孔具有足够的均匀性和稳定性,以保证泡沫在随后的收集与成型的过程中不破碎。但该方法存在孔洞的大小及其在金属基体中的分布难以控制等问题。
防护、铝合金.
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图1为气体注入法连续制备泡沫铝的示意图[6～8]。把空气通入熔融金属中,然后搅拌使气泡均匀化,气泡的大小可以通过改变气流速度、喷嘴的数量和尺寸、叶轮的旋转速度来控制。熔融金属中需要加入细小的陶瓷颗粒增加其粘度,以保证空气在金属内部发泡但不逃逸,并且使产生的气泡在上升的过程中不能聚集长大。金属粘稠的混合产物在上升到液面时被收集起来,输送到传送带上冷却固化,经切割得到所需要的产品,也可在金属泡沫还处于半固态的时候对其进行轧制,以获得平整表面。图2为CYMAT公司采用该方法制备的Al2SiC闭孔金属泡沫试样[9]。
图3 金属熔体发泡法制备泡沫金属的流程图
Fig.3 Flowchartofpreparingmetalformbyfoaming
methodofmoltenmetal
本方法的优点是可以适用于黑色泡沫金属的生产,缺点是工艺过程难以控制,容易形成气泡分布不均。国内杨东辉[11]、罗洪杰[12],,使发泡剂和金属熔体均,通过发泡温度、时间和粘度控制,已经可以制备一定规模、泡沫结构相对均匀的泡沫铝。图4
图1 Fig.1 Schematicofaluminumfoambygasinjection
为东南大学采用熔体发泡发所制备的铝泡沫孔结构照片[11]。
图2 采用气体注入法生产的闭孔泡沫金属试样
Fig.2 Closed2cellmetalfoamproducedbygasinjection
图4 熔体发泡法制备铝泡沫的孔结构
Fig.4 Cellstructureofaluminumfoampreparedby
foamingmethodofmoltenmetal
气体注入法所制备的泡沫铝的气孔直径为3～25mm,平均孔壁厚度为50～85μm,孔隙率为80%～98%。此法最大的优点是成本低且易于工业化大批量生产。缺点是增稠剂颗粒的润湿问题和颗粒分布不均、发泡过程难控制、气泡分布不均且局部气泡尺寸过大以及加工性能差、脆性较大等。2 金属熔体发泡法
图3为采用金属熔体发泡法制备泡沫金属的流程图[8],首先向熔融金属中加入增粘剂,使其粘度提高,然后加入发泡剂,发泡剂高温分解产生气体,气体膨胀使金属发泡,合适粘度的选取可以确保气泡相对稳定、不逸出,然后冷却下来或浇注发泡冷却,得到泡沫金属。常用的发泡剂为TiH2、ZrH2等金属氢化物,也有用CaCO3作发泡剂的。常用的增粘剂为金属Ca和MnO2,加入量一般为1.5%～3.0%。也可向金属液中吹入氧气、空气或其它气体及其混合气体,原位合成金属氧化物作为增粘剂[10]。
3 渗流铸造法
渗流铸造法也是制备泡沫金属的一种重要方法,它有孔径大小可控及连通等特点,中国科学院固体物理研究所及东南大学等在渗流法制备泡沫金属技术上处于国内领先地位。渗流法就是将一些耐高温且可以除去的无机甚至有机颗粒或低密度颗粒堆积在铸模中,预热后浇入金属液,待金属液渗入预制块的缝隙间凝固后,形成金属/颗粒复合体,然后通过合适的溶剂、酸或采用热处理方法将颗粒去除,产生三维网络互相连通的泡沫金属。这种方法通过所选颗粒的大小来控制泡沫金属的孔径大小,成本不高,可制备铝、镁、锌、铅、锡等金属泡沫,最大孔隙率可达80%,但生产工艺较为复杂。
由于大多数金属(特别是铝)的表面张力较大,在重力下熔融金属向颗粒间隙的填充困难,渗流法又发展出许多新工艺,如压力渗和真空渗等方法。图5为
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王宏伟等:铸造法制备泡沫金属材料
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国内余欢等[13]人研究开发的采用真空渗流法制备多孔泡沫铝合金的工艺原理图。首先将筛分烘烤好的可移去颗粒NaCl堆积在铸模(如图6所示)中,压制成坯,经预热后浇注金属液,通过抽真空使模具内产生负压,并向熔融金属施加压力以促进其向填料粒子中渗流,最后将颗粒去除,获得孔洞相互连接的通孔泡沫材料。真空渗流法有利于细孔(孔径0.4～0.7mm)多孔泡沫铝的成形,解决了目前渗流法难以制备细孔多孔泡沫铝合金的难题。图7为采用渗流法以NaCl为造孔剂制备的开孔金属泡沫试样[14]。
图8 复合金属泡沫制备工艺
Fig.8 Preparationtechnologyofcladmetalform
9ofaluminumcompositeform
图5 Fig.5 of一般为40%～55%,但该泡沫材料结构均匀,性能近
乎于各向同性。目前已应用该方法制备具有三明治结构的复合板材。5 金属2气体共晶定向凝固法
金属2气体共晶定向凝固法[18,19]的研究始于20世纪90年代末,常称为“Gasar”法,其工艺如图10所示,就是利用气体原子(多为氢气)在金属中的溶解度差,对液态金属加压,提高发泡气体原子在液态金属中的溶解度,然后,设置冷却方向,使液态金属沿一个方向(或由周围向中心)发生凝固,液体中过饱和的气体原子以气泡的形式析出,如果工艺参数选择得当,形成的气泡将不会进入附近的液相消失。而是以一定的气液界面沿凝固方向生长,这相当于发生一个固气共晶转变,最终得到圆柱形气孔沿凝固方向定向排布于金属基体中的多孔材料,由于其结构与藕根类似,因此常称为藕状多孔材料。
图6 铸型结构 图7 渗流法制备的开
Fig.6 Structureofmould
孔泡沫试样
Fig.7 Metalformprepared
byinfiltration
4 中空球料法
渗流法是采用可去除粒子制备开孔金属泡沫材料,中空球料法则是以轻质耐高温空心粒子为孔隙制备金属+中空球闭孔复合泡沫金属材料。1987年Gardner发明了这种方法,过程如下:先将金属在坩埚中熔化,然后加入中空的球料,并进行搅拌,使这些颗粒均匀地分散到金属熔体中去,无偏析和分层现象,待冷却到适当的粘度后进行浇注[15]。目前,为了提高空心球的加入量以及金属液和空心球之间的结合,中空球料法常常采用与渗流法类似的工艺,如图8[16]所示,首先氧化铝空心球在模具中排布好,随着抽气的进行,金属液渗入氧化铝空心球的缝隙中,最终获得金属+陶瓷空心球复合结构的泡沫金属。
图9为采用中空球料制备的复合铝泡沫的微观组织[17]。虽然受中空球排布紧密程度的影响,采用该方法所制备的复合泡沫金属的孔隙率只能在一定范围,
图10 Gasar工艺示意图
Fig.10 SchematicofGasartechnology
金属2气体共晶定向凝固法所准备的多孔材料具
有很多独特的优点,如强度与气孔率呈线性关系;通过调整气孔内气体压力,可以使其导热系数在很宽范围内变化,甚至高于相应的致密材料;通过冷却条件的调
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整可以控制孔的结构等。Gasar法制备泡沫金属的孔半径10～10mm,孔的长度100～300mm,纵横比1～300,孔隙率5%～75%。目前,已应用该方法制备镍、铜、铝、铍、镁、钢、钴、钨、不锈钢等金属泡沫,尽管已经取得了一些研究成果,但金属2气体共晶法还存在一些问题,如缺乏有效的理论或合适的数学模型来预测工艺参数对Gasar过程的影响,以及获得的多孔材料的组织均匀性很差,孔径差别很大,长径比不能随意调节等。图11为采用Gasar法制备泡沫铝的断裂面[7]。6 熔模铸造法
熔模铸造法是用易于去除的耐火材料填充海绵状泡沫塑料的孔隙,然后使之硬化,再把它们一起加热,使塑料成分挥发出来,从而生产出具有海绵状孔隙的三维模子,将金属倒入模内,使其冷却和凝固,去掉里
图11 Gasar法制备泡沫铝的断裂面
Fig.11 Fractureplaneofaluminumformpreparedbygasar
technology
面易于去除的耐火材料后,[20],工艺如图12所16]。酚醛树脂、碳酸钙或图12 熔模铸造法制备多孔材料示意图
Fig.12 Schematicofporousmaterialpreparedbyinvestmentcasting
目前,用此法可制备低熔点的多孔泡沫金属,如泡
沫铜、铝、铅、锡及其合金,并已实现了商品化。图13
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图13 熔模铸造法的开孔金属泡沫
Fig.13 Open2cellmetalfoampreparedbyinvestmentcasting
为M2PORE公司采用该方法制备的开孔铝泡沫试样
[9]
。该法优点是孔隙率高,典型的开孔率可达80%
～97%,金属泡沫的形态由耐火材料模的结构决定,但也存在产量低、价格高等缺点。
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在包头文鑫实业有限公司问世
涂层镁芯包芯线是由钢带包裹的孕育剂粉料及位于粉料层中心区域的一根或多根涂层镁线构成;消除了传统含镁包芯线的“过程汽化”,大幅度提高铁液获得单位重量镁时钢带的利用率,使金属态镁在铁液中的有效率高于合金态的镁,降低喂线处理成本;实现了含镁包芯线的清洁化生产。是文鑫公司拥有的专利技术和产品,其特点是