CN102912172B

CN102912172B - 磁场辅助制备泡沫金属的方法及其装置

Info

Publication number: CN102912172B
Application number: CN201210390846.1A
Authority: CN
Inventors: 余建波; 任忠鸣; 邓康; 刘夏; 李霞
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102912172A

Abstract

本发明公开了一种磁场辅助制备泡沫金属的方法的专用磁场辅助制备泡沫金属的装置，能使泡沫金属的孔隙率及尺寸更加均匀，工艺过程更为简化，并能提高泡沫金属的制备质量，适用于工业生产。本发明利用气体在液态金属的溶解度随压力变化而变化的原理，通过加压促使气体在液态金属的溶解，然后通过减压使气体从过饱和的液态金属中析出，原位均匀的生成大小可控的气泡，并且通过磁场控制气泡的运动，抑制气泡上升过程中的碰撞、聚合长大，最终获得气孔可控、分布均匀，并可连续生产的泡沫金属。

Description

磁场辅助制备泡沫金属的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种泡沫材料加工的方法及装置，特别是一种泡沫金属的制备方法和装置。

背景技术

泡沫材料是自然界中常见的材料之一，它是一种由固体骨架或胞壁与孔洞所组成。泡沫材料独特的多孔结构不仅赋予其独特的力学性能和承载能力，而且还使其具有许多特殊的功能。通常把孔隙率较大、孔径较大、空隙间相互联通的的轻质多孔金属称为泡沫金属。现有制备泡沫金属的方法有发泡法、铸造法、渗流法和粉末压实熔化法，其中发泡法向熔融的铝或锡、铅、锌等低熔点金属的熔液中加入发泡剂,经加热,发泡剂分解释放出气体,气体热膨胀使金属熔液成泡沫状,冷却后成为泡沫金属。常用的发泡剂有Ti、Zr、Mg的氢化物，常用来生产泡沫锌和泡沫铅，但由于熔体各部位温度及凝固速度不同，其空隙数量及均匀性很难控制。铸造法又称熔模铸造法，是采用流态耐火材料填充海绵状泡沫塑料中的孔隙,待耐火材料硬化后,加热使塑料气化而获得海绵状孔隙结构的铸型,将铝、锌等熔融态金属浇入此铸型中,冷却凝固后去除耐火材料,就得到泡沫金属。其孔隙度为80 %～97 %，但该方法十分复杂，实用性差。渗流法又称加压渗流法，此方法将铝、锌、铅和铜等高温液态金属在一定的压力下渗流入填料间隙从而获得金属填料复合体,所使用的填料有可溶性和不可溶性之分。当使用耐热而可溶的原始精盐等填料时,铸造后,填料可以从铸件中浸洗掉,从而获得具有连通结构的泡沫金属,孔隙率可达70 %左右，此法又可分为上压渗流铸造法和负压渗流铸造法两种，渗流法存在多孔体紧实度不均匀，浇注时颗粒易上浮问题，使得泡沫金属中孔隙率大小及分布不均匀。而粉末压实熔化法是通过挤压法或热等静压法将金属粉末和发泡剂混合物压实，然后加热使发泡剂分解、膨胀形成泡沫金属。总之，目前泡沫金属的制备工艺中，渗流法、粉末压实熔化法、精密铸造法都存在制造工序长，工艺控制复杂，产量小，最终导致成本高，抑制了泡沫金属推广使用。液态金属直接发泡或者是往液态金属中吹气形成泡沫金属是目前最经济的泡沫金属制备工艺，目前这种工艺存在气泡分布不均匀、气泡上升过程中容易碰撞聚合等缺点，虽然人们想了不少方法，比如通过搅拌促使发泡剂均匀分布、外加Ca等其他物质来增加金属液的粘度来抑制气泡的碰撞聚合等，但是使用效果还是不理想。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的缺陷，提供一种磁场辅助制备泡沫金属的方法的专用磁场辅助制备泡沫金属的装置，能使泡沫金属的孔隙率及尺寸更加均匀，工艺过程更为简化，并能提高泡沫金属的制备质量，适用于工业生产。

为达到上述发明目的，本发明采用下述技术方案：

一种磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．将金属在设备底部的高压炉中熔化，通过加压装置将气体压入设备下部的密闭容器中，使气体溶解于高压炉中的液态金属熔体中；加压装置向高压炉中的液态金属熔体压入的气体的压力优选为0.1～10Mpa；加压装置向高压炉中的液态金属熔体压入的气体为氢气、氮气、氧气、氦气和氩气中任意一种气体或者多种气体的混合气体；优选在密闭容器中进行本工艺过程，密闭容器能进行真空和加压操作；高压炉中的液态金属熔体为铝液、铜液、镁液、铁水、钢水或高温合金熔体；

b．高压炉中的液态金属熔体通过竖直通道向上输送，通过压力调节，在竖直通道内控制金属熔体在液位方向上的压差，随着压力的降低，使竖直通道内的气体在金属熔体中过饱和析出，富含气泡的金属熔体的在压差的作用下，由高压区流入低压区，同时启动磁场，利用电磁制动效应增加金属熔体的粘度，抑制金属熔体中的气泡的碰撞和聚合长大；磁场的强度优选为0～2T；优选在密闭容器中进行本工艺过程，密闭容器能进行真空和加压操作；

c．竖直通道中的金属熔体和气体的混合物经过磁场后，进入结晶器，凝固成泡沫金属；优选在密闭容器中进行本工艺过程，密闭容器能进行真空和加压操作。

本发明还提供了一种磁场辅助制备泡沫金属的装置，包括高压熔炉、金属熔体引流管和结晶器，高压熔炉由熔化炉和控制熔化炉内气体压力的密闭的高压室，高压室设有气体进口和气体出口，通过控制其气体进口和气体出口的控制阀实现对熔化炉内气体压力的控制，金属熔体引流管的下部浸入熔化炉的金属熔体中，金属熔体引流管竖直向上从高压室顶部穿出并进入高压室上方的调压室，金属熔体引流管顶部开口液面处位于调压室内，金属熔体引流管的***中部设有磁体，磁体施加的磁场直接作用于金属熔体引流管中部的金属熔体及气体，调压室也设有气体进口和气体出口，也通过控制其气体进口和气体出口的控制阀实现对调压室内气体压力的控制，进而控制金属熔体引流管顶部开口液面处气体压力，结晶器设置于金属熔体引流管的顶部末端，使金属熔体引流管内的气泡和液态金属经过磁体施加的磁场后进入结晶器，凝固成泡沫金属，然后通过抽拉机构，使凝固的泡沫金属拉离结晶器。

作为本发明的改进，向熔化炉***的感应线圈中施加小电流进行电磁搅拌，加速高压室中的气体在熔化炉中的金属熔体中的溶解。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明利用气体在液态金属的溶解度随压力变化而变化的原理，通过加压促使气体在液态金属的溶解，然后通过减压使气体从过饱和的液态金属中析出，原位均匀的生成大小可控的气泡，利用电磁制动效应增加金属熔体的粘度，并且通过磁场控制气泡的运动，抑制气泡上升过程中的碰撞、聚合长大，最终获得气孔可控、分布均匀，并可连续生产的泡沫金属；

2. 本发明工艺简捷，设备简单，成本低，能使泡沫金属的孔隙率及尺寸更加均匀，提高泡沫金属的制备质量，适用于工业生产。

附图说明

图1是本发明实施例一的磁场辅助制备泡沫金属的装置的结构示意图。

具体实施方式

结合附图，对本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

参见图1，在本实施例中，磁场辅助制备泡沫金属的装置，包括高压熔炉、金属熔体引流管和结晶器8，高压熔炉由熔化炉2和控制熔化炉2内气体压力的密闭的高压室1，高压室1设有气体进口6和气体出口3，通过控制其气体进口6和气体出口3的控制阀实现对熔化炉2内气体压力的控制，金属熔体引流管的下部浸入熔化炉2的金属熔体中，金属熔体引流管竖直向上从高压室1顶部穿出并进入高压室1上方的调压室9，金属熔体引流管顶部开口液面处位于调压室9内，金属熔体引流管的***中部设有磁体7，磁体7施加的磁场直接作用于金属熔体引流管中部的金属熔体及气体，调压室9也设有气体进口5和气体出口4，也通过控制其气体进口5和气体出口4的控制阀实现对调压室9内气体压力的控制，进而控制金属熔体引流管顶部开口液面处气体压力，结晶器8设置于金属熔体引流管的顶部末端，使金属熔体引流管内的气泡和液态金属经过磁体7施加的磁场后进入结晶器8，凝固成泡沫金属，然后通过抽拉机构，使凝固的泡沫金属拉离结晶器8。

在本实施例中，泡沫金属的制备方法具体步骤如下：第一步，将纯铝在底部的熔化炉2中熔化，打开高压室的进气阀，通过加压装置将气体压入高压室1中，根据铝液中一般气体溶解度和气体压力的关系，例如氢气符合： [H]=k(PH2)1/2, 气体压力越大，气体在金属液中溶解的越多，气体在高压作用下融入液态金属中，施加0.5Mpa的压力。第二步，通过减压阀，逐渐的降低调压室9的压力，即打开调压室9的气体出口阀门，使两室形成可控压差，随着压力的降低，气体在熔体中过饱和析出，富含气泡的铝液在压差的作用下，由高压室1流入调压室9，同时启动磁体7施加磁场，磁场强度为0.1T，铝液在压差的作用下由金属熔体引流管上升的同时，气泡从铝液中原位析出，气泡和铝液在金属熔体引流管中受磁场的作用，增加粘度，抑制气泡间的碰撞和聚合长大。第三步，铝液和气体混合物经过磁场后，气泡和铝液经过磁场后进入结晶器8，凝固成泡沫铝，然后通过抽拉机构，是凝固的泡沫铝拉离结晶器。此过程循环进行，实现连续生产。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，首先在熔化炉2中用感应加热将紫铜熔化，打开高压室1的进气阀，通入氢气，施加0.3Mpa的压力，同时在感应线圈中施加小电流进行电磁搅拌，通过感应电流电磁搅拌作用使气体在金属液体中分布均匀，加速氢气在铜中的溶解，搅拌5分钟后，停止加热搅拌。打开磁场电源和结晶器8的冷却水，磁场强度为0.1T，然后打开调压室9的气体出口阀门，使两室形成可控压差，金属液在压差的作用下由金属熔体引流管上升的同时，气泡从液态金属中原位析出，气泡和金属在上升管中受磁场的作用，增加粘度，抑制气泡间的碰撞聚合长大，气泡和液态金属经过磁场后进入结晶器8，凝固成泡沫金属，然后通过抽拉机构，是凝固的泡沫金属拉离结晶器8。此过程循环进行，实现连续生产。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明磁场辅助制备泡沫金属的方法的专用磁场辅助制备泡沫金属的装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．将金属在设备底部的高压炉中熔化，通过加压装置将气体压入设备下部的密闭容器中，使气体溶解于高压炉中的液态金属熔体中；

b．高压炉中的液态金属熔体通过竖直通道向上输送，通过压力调节，在竖直通道内控制金属熔体在液位方向上的压差，随着压力的降低，使竖直通道内的气体在金属熔体中过饱和析出，富含气泡的金属熔体的在压差的作用下，由高压区流入低压区，同时启动磁场，利用电磁制动效应增加金属熔体的粘度，抑制金属熔体中的气泡的碰撞和聚合长大；

c．竖直通道中的金属熔体和气体的混合物经过磁场后，进入结晶器，凝固成泡沫金属。

2．根据权利要求1所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述加压装置向高压炉中的液态金属熔体压入的气体的压力在0.1～10Mpa。

3. 根据权利要求1所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于：在所述步骤a中，所述加压装置向高压炉中的液态金属熔体压入的气体为氢气、氮气、氧气、氦气和氩气中任意一种气体或者多种气体的混合气体。

4. 根据权利要求1～3中任意一项所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述磁场的强度为0～2T。

5. 根据权利要求1～3中任意一项所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于：从所述步骤a到所述步骤c的整个工艺过程皆在密闭容器中进行，密闭容器能进行真空和加压操作。

6. 根据权利要求1～3中任意一项所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法，其特征在于：在所述步骤a中，高压炉中的液态金属熔体为铝液、铜液、镁液、铁水或钢水。

7. 一种权利要求1所述的磁场辅助制备泡沫金属的方法的专用磁场辅助制备泡沫金属的装置，包括高压熔炉、金属熔体引流管和结晶器（8），所述高压熔炉由熔化炉（2）和控制所述熔化炉（2）内气体压力的密闭的高压室（1），高压室（1）设有气体进口（6）和气体出口（3），通过控制其所述气体进口（6）和气体出口（3）的控制阀实现对所述熔化炉（2）内气体压力的控制，其特征在于：所述金属熔体引流管的下部浸入所述熔化炉（2）的金属熔体中，所述金属熔体引流管竖直向上从所述高压室（1）顶部穿出并进入所述高压室（1）上方的调压室（9），所述金属熔体引流管顶部开口液面处位于所述调压室（9）内，所述金属熔体引流管的***中部设有磁体（7），所述磁体（7）施加的磁场直接作用于所述金属熔体引流管中部的金属熔体及气体，所述调压室（9）也设有气体进口（5）和气体出口（4），也通过控制其所述气体进口（5）和气体出口（4）的控制阀实现对所述调压室（9）内气体压力的控制，进而控制所述金属熔体引流管顶部开口液面处气体压力，所述结晶器（8）设置于所述金属熔体引流管的顶部末端，使所述金属熔体引流管内的气泡和液态金属经过所述磁体（7）施加的磁场后进入所述结晶器（8），凝固成泡沫金属，然后通过抽拉机构，使凝固的泡沫金属拉离所述结晶器（8）。

8．根据权利要求7所述的磁场辅助制备泡沫金属的装置，其特征在于：向所述熔化炉（2）***的感应线圈中施加小电流进行电磁搅拌，加速所述高压室（1）中的气体在所述熔化炉（2）中的金属熔体中的溶解。