一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，屬于泡沫金屬材料的制備領域。
【背景技術】
[0002]多孔金屬材料是一種性能優異的新型功能材料和結構材料，具有獨特的結構和性能。其優良的物理學、力學、熱學、電學和聲學特性，實現了結構材料的輕質多功能化，在汽車、航空、公路建設、建筑裝飾等工業和國防科技領域有著廣闊的應用前景。目前，對泡沫金屬研宄最多的是泡沫鋁，其次是泡沫鎂，而泡沫鋅的研宄甚少，已有研宄表明，泡沫鋅合金具有良好的機械性能和很高的阻尼本領，因此，泡沫鋅可用作減震降噪材料，具有一定的發展前景。
[0003]在制備泡沫金屬的眾多方法中，可用于制備泡沫鋅的有電沉積法、熔體發泡法、滲流鑄造法等，除此之外，粉末冶金法也是制備泡沫金屬的方法之一，利用該方法可以制備出孔結構均勻的泡沫金屬，也可以加工成近成品的零件；而且，粉末冶金法的基體成分可調，可用于多種基體成分的制備。目前，用于粉末冶金法制備泡沫金屬的發泡劑多為TiH2，成本昂貴且制備出的樣品孔徑較大，而且多需要對其進行預處理，工藝方法十分復雜。

【發明內容】

[0004]為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種成本較低、工藝簡單的粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，制得的泡沫鋅基材料具有孔徑小且孔分布均勻的特點。
[0005]為了實現上述目標，本發明采用如下的技術方案:
[0006]一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，包括如下步驟:
[0007]S1、混粉:將鋅粉、鎂粉和碳酸鈣粉混合均勻，其中鋅粉與鎂粉的質量比為5:5?9:1，碳酸媽粉占鋅粉與鎂粉總質量的1.0?5.0wt.% ；
[0008]S2、冷壓:將混合粉末倒入冷壓模具中冷壓成塊；
[0009]S3、合金化:在300?420°C下對步驟S2的壓塊合金化處理10?20小時，以降低金屬基體的熔點；
[0010]S4、熱壓:在250?370 °C下熱壓5?60min制成預制體，提高預制體的致密度；
[0011]S5、發泡:將預制體的表面污垢清理后，放入預熱溫度為590?660°C的電阻爐中加熱2?4min，在此期間，發泡劑和熔體鎂反應生成的發泡氣體使得金屬基體泡沫化；
[0012]S6、冷卻:將產物從電阻爐中取出，自然冷卻。
[0013]優選地，前述鋅粉的粒徑為5 μ m，純度為分析純。
[0014]更優選地，前述鎂粉的粒徑為75?150 μ m，純度> 99.9%。
[0015]進一步優選地，前述碳酸鈣粉的粒徑為5微米，純度> 99.5%。
[0016]進一步地，在步驟S5中，電阻爐中通入保護氣體，所述保護氣體為氬氣，或為SF6與0)2的混合氣體，SF 6ig CO2的體積比為1:99，以防止在發泡過程中鎂合金與空氣中的氧氣反應燃燒。
[0017]按照前述的方法制備得到的泡沫鋅基材料，材料的孔隙率為50.0 %?80.0 %，平均孔徑為0.1?3.0mm，具有孔徑小、孔分布均勻的特點。
[0018]在現有技術中，當用金屬氫化物或碳酸鹽做發泡劑時，大多都是利用發泡劑自身釋放的氣體作為發泡氣體，基體成分并不直接或間接參與發泡氣體的產生過程。而本發明的發泡思路完全不同，發泡劑為碳酸鈣，金屬基體為鋅粉和鎂粉，利用熔體鎂與碳酸鈣在高溫下(590?660°C)發生的液固反應生成一氧化碳:Mg (I)+CaCO3 (s) - MgO (s)+CaO (s)+CO(g)所產生的氣體作為發泡氣體，使預制體的內部形成胞狀的孔洞結構而膨脹。
[0019]本發明的有益之處在于:(I)、本發明采用粉末冶金法，與其他制備泡沫金屬的方法相比，用此方法可以加工成近成品尺寸的零件，也可以加工成三明治式的復合夾芯板，即內部多孔、外部致密的結構；(2)、本發明采用混合金屬粉代替傳統的粉末冶金法所用的合金粉，基體成分可根據需求進行調節，工藝更加靈活；(3)傳統的粉末冶金法制備泡沫金屬時多用TiHJ^發泡劑，但11!12的價格較為昂貴，用其做發泡劑制備出的樣品孔徑較大，且需要對其進行預處理。本發明采用CaCO3代替TiH2,降低了制備成本，且制備出的泡沫鋅基材料具有孔徑小、孔分布均勻的特點；(4)、通過合金化處理降低了金屬基體熔點的目的:由于高溫下鎂會在CO2氣體中燃燒從而導致實驗的失敗，所以必須降低預制體的熔點，因此本發明中，在鋅基體中加入鎂后對混合粉體進行合金化處理，從而達到降低金屬基體熔點的目的。
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法的工藝流程圖；
[0021]圖2是本發明的實施例1制備得到的泡沫鋅基材料的截面圖；
[0022]圖3是本發明的實施例2制備得到的泡沫鋅基材料的截面圖；
[0023]圖4是本發明的實施例3制備得到的泡沫鋅基材料的截面圖；
[0024]圖5是本發明的實施例4制備得到的泡沫鋅基材料的截面圖。
【具體實施方式】
[0025]以下結合附圖和具體實施例對本發明作具體的介紹。
[0026]圖1所示的是本發明的粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法的工藝流程圖，工藝步驟概述如下:首先將一定比例的鋅粉、鎂粉和碳酸鈣粉混合均勻，然后取一定質量的混合粉末冷壓成塊，對其進行合金化后，再熱壓制成預制體，熱壓的目的主要是為了提高預制體的致密度，最后對預制體加熱發泡、冷卻。
[0027]實施例1
[0028]將質量比為9:1的鋅粉和鎂粉以及鋅粉和鎂粉總質量1.0%的碳酸鈣粉混合均勻；稱取一定質量的混合粉在冷壓模具中冷壓成塊；將已冷壓好的樣品在360°C下合金化處理16小時，再在330?350°C、300MPa下熱壓15min后制成可發泡的預制體，且預制體的相對密度大于99.99%;對預制體進行表面清潔后，將其放入預熱溫度為610?650°C、通有保護氣(氬氣)的電阻爐中保溫發泡2?3min;取出已發泡的樣品后，將其冷卻，即可得到平均孔徑為0.1?1mm，孔隙率為68.0%，孔結構均勻的泡沫鋅基材料，如圖2所示。
[0029]實施例2
[0030]將質量比為9:1的鋅粉和鎂粉以及鋅粉和鎂粉總質量3.0%的碳酸鈣粉混合均勻；稱取一定質量的混合粉在冷壓模具中冷壓成塊；將已冷壓好的樣品在360°C下合金化處理16小時，再在330?350°C、300MPa下熱壓15min后制成可發泡的預制體，且預制體的相對密度大于99.99%;對預制體進行表面清潔后，將其放入預熱溫度為610?650°C、通有保護氣6?6與0)2的混合氣體)的電阻爐中保溫發泡2?3min ;取出已發泡的樣品后，將其冷卻，即可得到平均孔徑為0.1?1_，孔隙率為55.3%，孔結構均勻的泡沫鋅基材料，如圖3所示。
[0031]實施例3
[0032]將質量比為7:3的鋅粉和鎂粉以及鋅粉和鎂粉總質量5.0%的碳酸鈣粉混合均勻；稱取一定質量的混合粉在冷壓模具中冷壓成塊；將已冷壓好的樣品在400°C下合金化處理12小時，再在330?345°C、300MPa下熱壓1min后制成可發泡的預制體，且預制體的相對密度大于99.99% ;對預制體進行表面清潔后，將其放入預熱溫度為610?650°C的電阻爐中保溫發泡2?4min ;取出已發泡的樣品后，將其冷卻，即可得到平均孔徑為0.1?3mm，孔隙率為62.2%，孔結構均勻的泡沫鋅基材料，如圖4所示。
[0033]實施例4
[0034]將質量比為5:5的鋅粉和鎂粉以及鋅粉和鎂粉總質量5.0%的碳酸鈣粉混合均勻；稱取一定質量的混合粉在冷壓模具中冷壓成塊；將已冷壓好的樣品在400°C下合金化處理10小時，再在290?310°C、300MPa下熱壓1min后制成可發泡的預制體，且預制體的相對密度大于99.99%;對預制體進行表面清潔后，將其放入預熱溫度為610?650°C、通有保護氣的電阻爐中保溫發泡I?3min ;取出已發泡的樣品后，將其冷卻，即可得到平均孔徑為I?2.5mm，孔隙率為67.9%，孔結構均勻的泡沫鋅基材料，如圖5所示。
[0035]綜上，本發明的制備泡沫鋅基材料的方法工藝簡單易實現，選用了成本較低的CaCO3作為發泡劑，而且基體成分可根據需求進行調節，制備得到的泡沫鋅基材料具有孔徑小、孔分布均勻等特點，而且具有天然的內部多孔、外部致密的三明治結構。
[0036]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，包括如下步驟: 51、混粉:將鋅粉、鎂粉和碳酸鈣粉混合均勻，其中鋅粉與鎂粉的質量比為5:5?9:1，碳酸媽粉占鋅粉與鎂粉總質量的1.0?5.0wt.% ； 52、冷壓:將混合粉末倒入冷壓模具中冷壓成塊； 53、合金化:在300?420°C下對步驟S2的壓塊合金化處理10?20小時； 54、熱壓:在250?370°C下熱壓5?60min制成預制體； 55、發泡:將預制體的表面污垢清理后，放入預熱溫度為590?660°C的電阻爐中加熱2?4min，在此期間金屬基體泡沫化； 56、冷卻:將產物從電阻爐中取出，自然冷卻。
2.根據權利要求1所述的一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，所述鋅粉的粒徑為5 μ m，純度為分析純。
3.根據權利要求1所述的一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，所述鎂粉的粒徑為75?150 μ m，純度> 99.9%。
4.根據權利要求1所述的一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，所述碳酸鈣粉的粒徑為5微米，純度> 99.5%。
5.根據權利要求1-4任一項所述的一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，包括如下步驟: 551、混粉:將鋅粉、鎂粉和碳酸鈣粉混合均勻，其中鋅粉與鎂粉的質量比為7:3，碳酸媽粉占鋅粉與鎂粉總質量的5.0wt.% ； 552、冷壓:將混合粉末倒入冷壓模具中冷壓成塊； 553、合金化:在400°C下對步驟S2的壓塊合金化處理12小時； 554、熱壓:在330?345°C、300MPa下熱壓1min制成預制體； 555、發泡:將預制體的表面污垢清理后，放入預熱溫度為610?650°C的電阻爐中加熱2?3min，在此期間金屬基體泡沫化； 556、冷卻:將產物從電阻爐中取出，自然冷卻。
6.根據權利要求1所述的一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，其特征在于，步驟S5中，電阻爐中通入保護氣體，所述保護氣體為氬氣，或為3?6與0)2的混合氣體，SF 6與CO2的體積比為1:99。
7.按權利要求1-6任一項所述的方法制備得到的泡沫鋅基材料，其特征在于，材料的孔隙率為50.0 %?80.0 %，平均孔徑為0.1?3.0mm0
【專利摘要】本發明公開了一種粉末冶金法制備泡沫鋅基材料的方法，屬于泡沫金屬材料的制備領域。在本方法中，發泡劑為碳酸鈣，金屬基體為鋅粉和鎂粉，發泡氣體為熔體鎂和碳酸鈣之間的液-固反應生成的一氧化碳。基本步驟為：將鋅粉、鎂粉碳酸鈣粉混合均勻后，先冷壓成預制塊，再熱處理合金化，接著熱壓5~60min后制成可發泡的預制體，對預制體進行表面清潔后，將其放入到電阻爐中加熱發泡，最后將樣品冷卻，得到孔結構較均勻的泡沫鋅基材料。本發明的方法操作簡單，基體成分可調，成品具有三明治結構，即內部多孔，外部致密，具有廣闊的應用前景。
【IPC分類】C22C1-08, C22C18-00
【公開號】CN104805324
【申請號】CN201510163987
【發明人】楊東輝, 陳偉萍, 胡中蕓, 陳建清, 江靜華, 馬愛斌
【申請人】河海大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年4月8日