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多孔金属制造方法

基本信息

  • 申请号 CN00810115.9 
  • 公开号 CN1131328C 
  • 申请日 2000/07/10 
  • 公开日 2003/12/17 
  • 申请人 中嶋英雄  
  • 优先权日期  
  • 发明人 中嶋英雄  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 日本大阪 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 中原信达知识产权代理有限责任公司 
  • 当前专利状态 发明专利权部分无效宣告的公告 
  • 代理人 武玉琴 
  • 有效性 期限届满 
  • 法律状态 权利转移
  •  

权利要求书


1.一种多孔金属制造方法,具有下述工序: (1)通过把金属原料放在在密闭容器内,在13.33Pa-1.333×10-4Pa 的减压条件下使其保持在比金属熔点低50-200℃的温度区间内,对金 属原料进行脱气的工序; (2)把氢气、氮气、氩气和氦气中选择的至少一种气体送入上 述密闭容器,在0.1-10Mpa的加压条件下使金属原料熔解,同时使气 体溶解到熔融金属中的工序; (3)把熔融金属装入设置有冷却装置的铸模中,通过控制上述 密闭容器内的气体压力和熔融金属的温度,使熔融金属在密闭容器内 在铸模中冷却凝固,形成多孔金属的工序; 其中,所述的金属原料从铁、铜、镍、钴、镁、铝、钛、铬、钨、 锰、钼、铍,以及至少含有这些金属其中一种的合金中选择。

2.如权利要求1所述的多孔金属制造方法,其特征为:在工序 (2)中的加压条件为0.2~2.5MPa范围。

3.如权利要求1所述的多孔金属制造方法,其特征为:在工序 (3)中用连续铸造方法使熔融金属进行冷却凝固。
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说明书

技术领域本发明涉及多孔金属制造方法。
背景技术关于多孔金属和它的制造方法是众所周知的。
例如美国专利5, 181,549号说明书发表了在熔融的金属原料中,在加压条件下溶入氢 气或含有氢气的的气体,然后边控制温度和压力边使其冷却凝固,以 此来制造多孔金属的方法。
可是在这种方法中存在有很大的问题,即,(1)为了得到具有 优良性能的多孔金属,作为原料要使用超高纯金属;(2)在作为原 料的金属中含有氧、氮、氢等夹杂物情况下,由于会残存在多孔金属 中,对多孔金属的性能有害,限制了它的应用范围;(3)作为溶解 在熔融金属中的气体,使用氢气或含有氢气的气体,所以金属的种类 仅限于因吸附氢而不使性能恶化的金属等。
发明内容本发明人鉴于现有多孔金属制造技术中上述的问题,研究结果发 现,金属原料在熔融前和熔融过程中,通过预先把金属中含有的夹杂 物含量减少到规定值以下,最终可以得到高质量的多孔金属。
也就是本发明提供下述多孔金属的制造方法。
1.具有下述工序的多孔金属制造方法: (1)把金属保持在从常温到低于金属的熔点的温度范围,在减 压条件下放置在密闭的容器内,使金属原料脱气的工序; (2)向上述密闭容器内送入气体,在加压的条件下使金属原料 熔融,同时使气体溶解到熔融金属中的工序; (3)控制上述密闭容器内的气体压力和熔融金属温度,同时使 熔融金属在铸模内冷却凝固,成为多孔金属的工序。
2.上述第1项中的多孔金属制造方法金属从铁、铜、镍、钴、 镁、铝、钛、铬、钨、锰、钼、铍,以及至少含有其中一种金属的合 金中选择。
3.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(1)中的减压条件为 13.33Pa(10-1Torr)以下。
4.上述第3项中的多孔金属制造方法工序(1)中的减压条件为 13.33Pa~1.333×10-4Pa(10-1~10-6Torr)范围。
5.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(1)中,使金属材料 保持在比金属的熔点低50~200℃的温度范围。
6.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(2)和工序(3)中 使用的气体,为氢气、氮气、氩气和氦气中的至少一种。
7.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(2)中的加压条件为 0.1~10MPa的范围内。
8.上述第7项中的多孔金属制造方法工序(2)中的加压条件为 0.2~2.5MPa的范围内。
9.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(3)中,从密闭容器 向设有冷却装置的铸模内装入熔融金属。
10.上述第1项中的多孔金属制造方法工序(3)中,采用连续 铸造的方式使熔融金属的冷却凝固。
附图说明图1为表示根据本发明制造多孔金属简要过程的流程图。
图2为表示铁-氮相转变的状态图。
图3为表示溶入气体的熔融金属在冷却凝固过程中,固相和液相 的气体溶解特性的示意图。
图4为详细表示在纯铁(99.99%)熔点附近氮气溶入纯铁的溶解 量的状态图。
图5为表示采用不同分压的氮气-氩气混合气体加压时,熔解纯 铁(99.99%),在铸造时得到的多孔铁材料中的气孔率和氮气/氩气分 压比的关系的曲线图。
图6为表示采用恒定的总压力但氮气-氩气混合气体具有不同分 压来进行加压时,熔解纯铁(99.99%),在铸造时得到的多孔铁材料 中的气孔率和氮气分压的关系的曲线图。
图7为表示采用恒定的总压力但氮气-氩气混合气体具有不同分 压来进行加压时,熔解纯铁(99.99%),在铸造时得到的多孔铁材料 中的氮含量和氮气分压的关系的曲线图。
图8为表示本发明使用的制造多孔金属装置概要的断面图。
图9为简要表示在底部设有冷却装置的铸模的图示。
图10为简要表示在内表面设有冷却装置的圆筒形铸模的图示。
图11为简要表示本发明中使用连续铸造方式制造多孔金属的装 置的断面图。
图12为简要表示用连续铸造方法制造棒状或长板状多孔金属材 料的装置的图示。
图13为简要表示用连续铸造方法制造棒状或长板状多孔金属材 料的装置的图示。
图14(a)~(h)为表示用本发明的方法制造得到的各种形态的 多孔金属材料切下一部分的轴向视图。
图15为表示在0.8MPa的氢气-氩气混合气体加压条件下,在1250 ℃使其溶解而得到的4种多孔铜材料的气孔率与气体的分压比关系的 曲线图。
图16为表示在0.8MPa的氢气-氩气混合气体加压条件下,在1250 ℃使其溶解而得到的4种多孔铜材料气孔分布状态的电子化处理图象 (相当于光学显微镜照片)。
图17为表示具有图14(c)形状的圆柱形多孔铜材料纵断面的电 子化处理图象(相当于12.5倍的光学显微镜照片)。
图18为表示在1.5Mpa或2.0Mpa的氮气-氦气混合气体加压条件 下,在1650℃使其溶解而得到的多孔普通钢材料的气孔率与气体的分 压比关系的曲线图。
图19为表示在4种改变气体分压比的氮气-氦气混合气体加压条 件下,在1650℃使其溶解而得到的多孔普通钢材料的4种气孔分布状 态的电子化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
图20为表示在0.8MPa的氮气-氦气混合气体加压条件下,在1600 ℃使其溶解而得到的多孔镍材料(气孔率17%)的气孔分布状态的电 子化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
图21为表示在0.9MPa的氢气-氩气混合气体加压条件下,在1250 ℃使其溶解,得到圆筒形的多孔铜材料的电子化处理图象(相当于光 学显微镜照片)。
图22为表示图21的圆筒形多孔铜材料厚度方向气孔形状的电子 化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
图23为表示图21的圆筒形多孔铜材料表面状态的电子化处理图 象(相当于光学显微镜照片)。
图24为表示在0.5MPa的氢气-氩气混合气体加压条件下,在1250 ℃使其溶解,得到圆筒形的多孔铜材料的电子化处理图象(相当于光 学显微镜照片)。
图25为表示图24的圆筒形多孔铜材料厚度方向气孔形状的电子 化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
图26为表示图24的圆筒形多孔铜材料表面状态的电子化处理图 象(相当于光学显微镜照片)。
图27为表示在0.8MPa的氢气-氩气混合气体加压条件下,在1250 ℃使其溶解,得到的多孔铜圆筒体(直径约100mm)断面的电子化处 理图象(相当于光学显微镜照片)。
具体实施方式 在本发明中如图1所示,首先把制造多孔材料的原料的金属放在 密闭结构的容器中,通过在减压条件下从常温保持到熔点以下温度, 使金属原料脱气[工序(1)]。
然后把脱气后的金属材料在用选定的气体加压的条件下加热,使 其熔融同时使气体溶解到熔融金属中[工序(2)]。
再根据金属原料和加压气体的种类,通过边控制密闭容器内气体 压力和熔融金属的温度,边使熔融金属冷却凝固,制成所需要的多孔 金属[工序(3)]。
作为金属原料可以使用金属铁、铜、镍、钴、镁、铝、钛、铬、 钨、锰、钼、铍,以及至少含有其中一种金属的合金。
也可以将由两种以上单独的金属适当组合的金属原料放在密闭容 器中进行脱气。
或者作为金属原料,可以把至少一种单独的金属和至 少一种合金一起使用,也可以2种以上合金同时使用。
在这样的情况 下,在后面介绍的熔融过程中,形成合金,最终得到多孔合金材料。
工序(1)中的减压条件根据金属原料的种类、金属原料中含有 的必须去除的夹杂成分(氧、氮、氢等)而不同,一般为13.33Pa(10-1Torr)以下,最好为13.33Pa~1.333×10-4pa(10-1~10-6Torr)范围内。
减 压不充分时,残存的夹杂成分对多孔金属的耐蚀性、抗化学药品性、 韧性等不利。
另外进行过度减压时,多孔金属性能有一定改善,但装 置的制造成本和运行成本增加,这是不希望的。
在工序(1)中金属原料的保持温度为从常温到低于金属原料熔 点(同时使用两种以上金属时,要低于最低的熔点)范围内,希望比 熔点低50~200℃左右。
脱气是在常温把金属原料装入密闭容器内后, 升高温度,这样容易操作。
为了提高脱气效果,希望在工序(2)开 始前达到低于金属原料熔点的尽可能高的温度。
在提高工序(1)的 金属原料保持温度情况下,可以缩短后面要讲的金属熔融需要的时 间。
在工序(1)中金属保持的时间可根据金属中夹杂物的种类和含 量,以及要求脱气的程度适当选定。
脱气处理后的金属原料在下面的工序(2)中在加压条件下熔融。
作为加压用的气体使用氢气、氮气、氩气、氦气中的至少一种。
如果特别要重视安全的话,加压的气体希望使用氮气、氩气、氦 气其中至少一种。
为了更准确控制多孔金属内的孔的尺寸和气孔率, 希望使用氮气-氩气混合物、氮气-氦气混合物或氮气-氩气-氦气混合 物。
在工序(2)的加压条件下,部分气体溶解在熔融金属中。
如图 2的金属-气体状态图所示,希望在熔融金属中,能够溶解包括在给定 压力下共晶点C3形成量的一定范围含量的气体。
熔融金属中气体溶解 量要考虑金属的种类、气体的种类和气体的压力、所需要的多孔金属 的孔的结构等来决定。
工序(2)中的加压条件要根据金属的种类、最终得到的多孔金 属中孔的形状、孔径、气孔率等来决定,一般为0.1~10MPa左右, 最好在0.2~2.5MPa左右。
虽然加压用的气体只要对最终得到的多孔金属的特性无害,均可 从上述的气体中选择,但是金属和气体之间有适宜的组合。
这样的组 合有,例如铁-氮气/氩气(所谓“氮气/氩气”是指氮气和氩气的混合 物,以下相同)、铁-氮气/氦气、铁系合金(工业用纯铁、普通钢、 不锈钢等)-氮气/氩气、铁系合金(普通钢、不锈钢等)-氮气/氦气、 铜-氩气、铜-氢气、铜-氢气/氩气、镍-氮气/氩气等。
溶解了气体的熔融金属随后送到工序(3),被冷却凝固。
如图 3的示意图所示,金属中气体溶解量在熔点的上下显著不同。
也就是 熔融状态的金属虽然溶解大量的气体,但随温度降低开始凝固的话, 气体溶解量急剧减少。
因此通过适当控制熔融金属的温度和其气氛的 气体压力,同时在一定方向上使熔融金属凝固,则在固相/液相界面附 近的固相部分中,由于在液相部分中过饱和溶解的气体析出可以形成 气泡。
这样的气泡与金属的凝固同时生成,所以在固相部分形成大量 气孔。
在此工序(3)中如下所述,通过控制熔融金属的冷却速度或 凝固速度,而且适当调整凝固气氛的气体组成(氮气/非活性气体的混 合比)和气体的压力(压力增加、保持等压、或减小压力),能够得 到任意控制气孔形状、气孔孔径、气孔率等的多孔金属。
图4为详细地表示在2.3MPa的氮气-氩气混合气体加压条件下, 纯铁(99.99%)中氮的溶解量(左侧纵轴表示液相中的浓度,右侧纵 轴表示固相中的浓度)变化的曲线图。
从图4可以看出,在纯铁从熔融到凝固的过程中,液态铁和固态 铁的氮的溶解度急剧而且不规则地变化。
即使是固态铁,随温度的降 低,会发生从δ相经过γ相到α相顺序的同素异构转变,氮溶解量也 要发生变化。
利用这样的氮溶解量的差,通过在γ相中析出的氮气, 可以在固态铁中形成气泡。
作为加压的气体使用氮气-非活性气体的混 合物、氢气-氮气混合物、氢气-非活性气体混合物、氢气-氮气-非活性 气体混合物代替氮气的情况下,同样也可以发现此现象,所以同样能 够得到多孔铁材料。
此外作为金属的种类,使用钢等的铁系合金、铜 和铜合金、镍和镍合金,以及上述列举的各种金属和它们的合金的情 况下,也发生同样的现象,所以用同样的方法能够得到各种金属的多 孔材料。
一般,在一定压力下制造多孔金属时,认为在金属-气体系中的 气体原子浓度和气孔形成的状态(气孔的分布、气孔的直径等)之间, 有一定的相关关系。
因此设想在圆筒形状铸模内,从圆周面方向冷却 溶解气体的金属(金属-气体系),观察得到的圆筒形金属的断面。
此 时适当进行冷却的话,无论在什么位置的断面都能得到几乎相同的结 果。
首先如图2所示,气体原子浓度C1比共晶成分C3低得多的情况 下,在从温度T1到TE的冷却过程中,从铸模内表面向中心方向形成 一定厚度的无气孔的金属固态以后,在从温度TE到更低温度的冷却过 程中,在中心区域形成多孔金属相(参照断面C1)。
气体原子浓度C2在共晶成分C3和C1之间的情况下,在从温度T2到TE的冷却过程中,从铸模内表面向中心方向形成厚度更窄的无气孔 的金属固态以后,在从温度TE到更低温度的冷却过程中,在更宽的中 心区域形成多孔金属相(参照断面C2)。
金属-气体系在具有共晶成分C3的情况下,由于在温度TE时金属 开始凝固,同时形成气孔,所以不形成无气孔的固态金属。
因此气孔 直径比较整齐(参照断面C3)。
气体原子浓度C4比共晶成分C3高的情况下,在从温度T4到TE的冷却过程中,在液相中形成的大的气孔,在温度TE时金属开始凝固。
在从温度TF到更低温度的冷却过程中,形成小的气孔。
因此在这种情 况下,形成含有不同大小气孔的多孔金属相,不形成无气孔固态金属。
(参照断面C4)。
图5为表示采用氮气-氩气混合气体加压时制造的多孔纯铁 (99.99%)的气孔率变化示例的曲线图。
从图5可以看出,在氩气压 力一定的情况下,随氮气压力的增加多孔材料的气孔率增加。
相反, 在氮气压力一定的情况下,随氩气压力的增加多孔材料的气孔率降 低。
如3条虚线所示,多孔材料的气孔率具有随混合气体总的压力的 增加而增加的倾向。
图6为表示采用氮气-氩气混合气体在一定的加压压力(2.1MPa) 下,制造的多孔纯铁(99.99%),气孔率变化示例的曲线图。
从图6 可以看出,在压力一定的条件下,随氮气分压的增大多孔材料中的气 孔率增加。
综合图5和图6可以看出,氮气对多孔材料中气孔率的增 加贡献较大。
用氮气-氦气混合气体代替氮气-氩气使用的情况下,也 能得到同样的效果。
从图5和图6所示的结果可以看出,通过调整加压气氛气体的成 分,能够控制多孔金属的气孔率。
图7为表示采用氮气-氩气混合气体在一定的加压压力(2.1MPa) 下,制造的多孔纯铁(99.99%)中氮气含量。
随氮气分压的提高,多 孔材料中氮含量也随之增加,氮气分压约1MPa时达到饱和。
虽然在 得到的多孔纯铁中的氮含量高,但是其中大部分浓缩在气孔表面非常 薄的表层,在纯铁内部仅仅在α相中分散含有微量的Fe4N。
也就是如 同得到的多孔材料包括气孔表面的整个表面进行了氮化处理一样,硬 度明显改善。
这样的多孔材料的整体尽管含有大量的氮,在它的内部 仅有微量的Fe4N,这种特殊的性状推测是由于随着从液相向固相(δ 相、γ相、α相)转变,氮的溶解量产生微妙变化而得到的。
根据本发明得到的多孔金属其他的各种性能(强度、韧性、切削 性能、加工性能、焊接性能、振动衰减性能、高的比表面积等)也优 良。
例如本发明的多孔金属材料与金属原料相比,比强度(强度/重量) 提高20~30%左右,维氏硬度大约提高3倍左右。
通过把根据本发明得到的铁系多孔金属再进行淬火处理,与淬火 之前相比,其维氏硬度可以提高大约2倍左右。
图8为表示本发明中使用的制造多孔金属装置示例的断面图。
图8所示的装置在上下方向设置有主要结构部分的金属原料加热 熔解装置1和熔融金属冷却凝固装置2。
金属原料加热熔解装置1设置有金属熔解槽4、感应加热线圈7、 闭锁装置8、脱气管31、进气管9和排气管10。
在工序(1)中,把 金属原料装入熔解槽4内以后,将闭锁装置8置于闭锁位置,使熔解 槽处于密闭状态,然后启动真空泵(图中没有表示)从脱气管31抽 出熔解槽4内的气体,达到规定的减压状态。
然后给感应加热线圈7 通电,在减压条件下按规定的加热曲线加热金属原料。
通过在这样的 减压条件下的加热处理,使金属原料中的氧、氮等杂质气体成分大幅 度减少。
其结果最终得到的多孔金属的气体含量也大幅度降低。
然后从进气管9向熔解槽4上部空间3-b内送入气体,同时将从 金属原料放出的杂质成分气体从排气管10清除到熔解槽外。
在工序(2)中在关闭排气管10的状态下,从进气管9向熔解槽 4的上部3-b内送入规定的气体,使熔解槽4内升压到规定的压力的 同时或升压以后,利用给感应线圈7通电使金属溶解。
工序(2)中 加压用的气体和工序(1)中清除的气体,成分可以相同也可以不同, 从简化供气装置和容易实施供气操作的角度来看,希望成分相同。
过在这样的加压条件下的金属的熔解,如图3和图4所示,大量的气 体溶解到金属中。
然后提升闭锁装置8,经过溶解金属注入口11,溶解了气体的熔 融金属3-a装入设置在熔融金属冷却凝固装置2底部的铸模5内,成 为多孔金属。
在装入熔融金属之前,在熔融金属冷却凝固装置2中, 预先从供气管12送入规定的气体,在其内部保持规定的压力。
利用 适当地开闭供气管12和排气管13,能够容易地控制熔融金属冷却凝 固装置2内的气体压力。
另一方面装入设有冷却机构6的铸模5内的 熔融金属冷却速度的控制,可以通过控制从进水管14提供水等冷却 介质(由于一般是使用水,所以下面就写成“水”)的量和从排水管 15排出的冷却水量来实现。
如上所述,通过控制熔融金属冷却凝固装置2内气体压力同时装 入铸模5内的熔融金属利用冷却机构6从下部冷却,在上方的液相和 在下方的固相的界面附近,由于溶解在液相中的气体产生大量气泡, 这些气泡在固相中形成气孔。
其结果是能够得到具有规定的气孔形 状、气孔率等的多孔金属材料。
图9为简要表示图8的装置中使用的铸模5和它的冷却机构6示 例的图示。
在此实施方式中,冷却机构6本身作为铸模5的底使用。
这种情况下,从与熔融金属3-a接触的冷却机构6的底部供给冷却水, 使熔融金属急速冷却。
图6表示在熔融金属冷却过程中在垂直方向上 的气孔形成的状态,最终可以形成具有随金属凝固从下方向上方沿纵 方向延伸的气孔的多孔金属3。
图10是表示图8装置中使用的铸模5和它的冷却机构6的另一 示例简图。
在此实施方式中在铸模5中间位置设置有冷却机构6,在 两者之间的圆筒形空间装入熔融金属3-a。
图10表示熔融金属在冷却 过程中形成横向气孔,最终能够形成具有从圆筒内侧向外侧横向延伸 的气孔的多孔金属3。
图11表示使用连续铸造方法的多孔金属装置的示例的示意图。
图11所示的装置在上下方向上设置有金属原料加热熔解装置1 和熔融金属保存装置2,在熔融金属保存装置2的横方向上连接着连 续铸造装置。
金属原料加热熔解装置1中的金属原料的脱气和溶解与 图8所示装置中的情况同样进行。
然后提起闭锁装置8,经过溶解金属注入口11,把溶解有气体的 熔融金属3-a装入在熔融金属保存装置22底部设置的溶液保存容器 19。
在向溶液保存容器19装入熔融金属之前,启动真空泵(图中未 表示),从脱气管31抽出气体,使熔融金属冷却凝固装置22内达到 减压状态后,从供气管17送入规定的气体,保持其内部为规定的压 力。
熔融金属冷却凝固装置22的气体压力可通过适当开闭供气管17 和排气管18很容易地进行控制。
注入容纳熔融金属的容器19内的熔 融金属利用加热器20保持在规定的温度。
要注意的是,利用从进气管16送入的气体加压的熔融金属装入 铸模21内,进行连续铸造,最终形成长的多孔金属。
熔融金属凝固 过程中,液相/固相界面的气体行为、金属中气孔形成的状况等,几乎 与图8所示装置的情况相同。
连续铸造装置主要由用冷却机构25围 起的铸模21的部分(在此部分中形成液相/固相界面)、根据需要设 置的辅助冷却机构26、与凝固的多孔金属前端接触的导向杆27、辊 子28等组成。
为了防止高温的多孔金属氧化、保护冷却机构等,连 续铸造装置被设置在密闭构件30内。
为了调整密闭构件30内部非活 性气体压力,密闭构件30设置有密封圈29、非活性气体进气管23和 非活性气体排气管24。
在图11中,导向杆27向左移动,引导多孔金 属头部到达密封圈29的位置时,密封圈29向内侧移动,以与多孔金 属的外周面紧密接触。
然后导向杆27从密闭构件30外面取下来,随 后把多孔金属依次拉出密闭构件30外。
这样就能够得到尺寸长的多 孔金属。
图12为表示为了制造长的多孔金属使用的连续铸造装置另一示 例的简图。
在图12中,省略了与金属原料的脱气和熔融相关的机械 部分。
在此装置中,凝固过程中由于冷却机构26的形状和位置、冷 却速度、气体压力等的影响,金属的液相/固相界面相对于金属前进的 方向倾斜形成,所以得到如图所示具有倾斜方向的孔的多孔金属。
多 孔金属的形状与铸模内表面的形状相对应,可以为圆柱形、线条形、 平板形、棱柱形等的任何形状。
图13为表示为了制造棒状以至线条状的多孔金属,使用的连续 铸造装置的另一示例简图。
在图13中也省略了与金属原料的脱气和 熔融相关的机械部分。
在此装置中,凝固过程中通过调整冷却机构26 的形状和位置、冷却速度、气体压力等,控制金属的液相/固相界面相 对于金属前进的方向,可以得到具有如图所示形态的孔的多孔金属。
图14(a)~(h)为表示利用连续铸造方式的本发明的方法制造 的多孔金属切去一部分的示意的轴向视图。
例如(a)所示的多孔金 属是具有相当于图2C3断面的圆柱形金属,从圆柱的一端向另一端沿 其横断面,金属中的液相/固相界面以一定速度移动情况下制造的。
(b) 所示的多孔金属是具有相当于图2C3断面的圆柱形金属,它可以在从 圆柱的一端向另一端沿其横断面,使金属中的液相/固相界面的移动速 度间断变化情况下来制造。
(c)所示的多孔金属是具有相当于图2C3断面的圆柱形金属,它可以在从圆柱的一端向另一端沿其横断面,使 金属中的液相/固相界面移动速度一定,气体压力间断变化情况下来制 造。
(d)所示的多孔金属是具有相当于图2C3断面的圆柱形金属, 它可以在从圆柱的一端向另一端沿其横断面,使金属中的液相/固相界 面的移动速度和气体压力都间断变化的情况下来制造。
(e)所示的 圆筒状多孔金属可以在像图10所示的那样,在铸模的中间设置有冷 却装置,使金属中的液相/固相界面从圆筒的中心向四周沿横断面方向 移动的情况下来制造。
(f)所示的圆筒状多孔金属可以在铸模的四周 设置有冷却装置,使金属中的液相/固相界面从圆筒的四周向中心沿横 断面方向等速移动的情况下来制造。
这种情况下通过开始时进行快速 冷却,在四周形成没有气孔的园环。
(g)所示的圆筒形多孔金属可 以用如图11所示的方法制造。
(h)所示的断面为长方形的多孔金属 可以使用具有长方形内表面的铸模,用图11所示的方法制造。
根据本发明,通过使用简单的设备、简易的方法,可以制造控制 气孔形状、尺寸、气孔率等的多孔金属。
根据本发明,可以制造任何形状的多孔金属材料。
用连续铸造方法实施本发明的情况下,可以制造大的长尺寸的多 孔金属材料。
根据本发明,与金属原料相比,可以使得到的多孔金属中夹杂物 含量显著减少。
例如氧含量可以减少到1/20以下,氮含量可以减少到 1/6以下。
在本发明中,金属原料使用铁或铁合金,把氮气作为加压气体成 分使用的情况下,由于包括气孔内表面在内的整个表面上形成氮化物 相,硬度明显提高。
本发明得到的多孔金属材料重量轻、比强度(强度/重量)高、 切削性能、焊接性能好。
根据本发明得到的多孔金属材料,通过在它的气孔部分填充或承 载其他的材料,能够制造具有特殊性能的新的复合材料。
这种复合材 料的例子有用多孔金属作为载体以代替以前用的蜂窝状载体的催化剂 (汽车等处理排放气体用的催化剂、除臭用的催化剂等)。
在本发明中,加压气体使用氮气、氩气、氦气等不可燃气体的情 况下,可以显著提高操作上的安全性。
根据本发明得到的多孔金属由于具有特殊的结构和优良的特性, 可以应用在广泛的领域。
这样的领域的例子有吸附氢材料、防振材料、 吸收冲击材料、电磁波屏蔽材料、各种结构件中的零件和结构用的材 料(汽车、船舶、飞机等运输机械的发动机零件、火箭和喷气发动机 的陶瓷底座、宇航机械用的重量轻的镶板、工作机械的零部件等)、 医疗器械用的材料(例如移植片固定物材料等)、热交换材料、吸音 材料、气液分离用材料、重量轻的零部件、净化水和气体的过滤器、 自润滑轴承材料、气液反应时吹入气体的材料等。
根据本发明的多孔 金属不限于上述的用途,还可以有其他各种用途。
实施发明的最佳方式 下面表示本发明的最佳方式(实施例),进一步说明本发明的特 征。
本发明并不限于以下的实施例,无须说明可以在本发明的范围内 进行各种修正、变形、变更等。
实施例1 使用图8所示的装置制造了多孔铜材料。
也就是把铜原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1250 ℃条件下0.1小时后,在下面详细叙述的加压气体的气氛下,在1250 ℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的熔融铜 注入圆筒状铸模(高100mm×内径30mm),利用设置在铸模底部的 水冷机构,从下方向上方凝固,得到图14(c)所示结构的多孔铜圆 柱体。
*加压气氛的气体(表压) (a)0.2MPa H2+0.6MPa Ar(b)0.4MPa H2+0.4MPa Ar(c)0.6MPa H2+0.2MPa Ar(d)0.8MPa H2得到的4种多孔铜圆柱体(a)~(d)的气孔率示于图15。
从图 15的结果可以看出,在等压加压条件下,随氢气的分压升高,气孔率 增加。
图16(a)~(d)分别表示上述4种多孔铜圆柱体(a)~(d) 部分横断面的电子化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
显示出通 过调整氩气/氢气分压比,可以改变孔径的大小。
图17表示上述得到的多孔铜圆柱体(c)的部分垂直断面的电子 化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
可以看出在垂直方向上形成 了规则排列的长孔。
铜原料含有氧约157ppm和氮13ppm,而铜的多孔材料中的氧和 氮分别减少到7ppm和2ppm。
实施例2 使用图8简要表示的装置制造了多孔铁材料。
也就是把铁原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1800 ℃条件下0.1小时后,在下面详细叙述的加压气体的气氛下,在1650 ℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的熔融铁 注入圆筒状铸模(高100mm×内径30mm),利用设置在铸模底部的 水冷机构,从下方向上方凝固,得到图14(a)所示结构的多孔铁圆 柱体。
*加压气氛的气体(表压) (a)0.3MPa N2+1.2MPa He(b)1.0MPa N2+1.0MPa He(c)1.0MPa N2+0.5MPa He(d)1.5MPa N2+0.5MPa He得到的4种多孔铁圆柱体(a)~(d)的气孔率示于图18。
从图 18的结果可以看出,在等压加压条件下,通过调整氮气和氦气的分压 可以控制气孔率。
图19(a)~(d)分别表示上述4种多孔铁圆柱体(a)~(d) 部分横断面的电子化处理图象(相当于光学显微镜照片)。
显示出通 过调整氩气/氢气分压比,可以改变孔径的大小。
此外得到的多孔铁材料加热到约1000℃后,投入到水中进行淬 火,其维氏硬度提高到2.5~3倍。
实施例3 使用图8简要表示的装置制造了多孔镍材料。
也就是把镍原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1600 ℃条件下0.1小时后,在加压气体的气氛下(0.6MPa N2+0.2MPa Ar), 在1600℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的 熔融镍注入圆筒状铸模(高100mm×内径30mm),利用设置在铸模 底部的水冷机构,从下方向上方凝固,得到图14(a)所示结构的多 孔镍圆柱体。
图20表示得到的多孔镍圆柱体部分横断面的电子化处理图象(相 当于光学显微镜照片)。
实施例4 用图8简要表示的装置和图10简要表示的铸模,制造多孔铜圆 柱体(高100mm×内径30mm)后,把它再加工后得到多孔圆柱体。
也就是把铜原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1250 ℃条件下0.1小时后,在加压气体的气氛下(0.3MPa H2+0.6MPa Ar), 在1250℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的 熔融铜注入圆筒状铸模,通过从下面的冷却面向上方凝固,制造了多 孔圆柱体。
然后把此圆柱体用钢丝钳加工成图21所示外径20mm×厚 度1mm形状的多孔铜圆柱体。
图22表示得到的多孔铜圆柱体部分水平断面的电子化处理图象 (相当于光学显微镜照片)。
从此图象中可以看出,形成了从圆柱体 的内表面向外表面延伸的气孔。
图23表示图22的多孔铜圆柱体部分外表面的电子化处理图象(相 当于光学显微镜照片)。
从此图象中可以看出,形成了大量从圆柱体 的内表面通向外表面的气孔。
实施例5 用图8简要表示的装置和图10简要表示的铸模,制造多孔铜圆 柱体(高100mm×内径30mm)后,把它再加工后得到多孔圆柱体。
也就是把铜原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1250 ℃条件下0.1小时后,在加压气体的气氛下(0.3MPa H2+0.2MPa Ar), 在1250℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的 熔融铜注入圆筒状铸模,从底部冷却,使其向圆柱形铸模方向凝固, 制造了多孔铜圆柱体。
然后把此圆柱体用钢丝钳加工成图24所示外 径22mm×厚度1mm形状的多孔铜圆柱体。
得到的多孔铜呈现出即使是用肉眼观察也能看出气孔多到可以透 过光线的程度。
图25表示图24的多孔铜圆柱体部分横断面的电子化处理图象(相 当于光学显微镜照片)。
从此图象中可以看出,形成了从圆柱体的内 表面延伸到外表面的气孔。
图26表示图24的多孔铜圆柱体部分外表面的电子化处理图象(相 当于光学显微镜照片)。
从此图象中可以看出,形成了大量从圆柱体 的内表面通向外表面的气孔。
实施例6 用图8简要表示的装置和图9简要表示的铸模,制造多孔铜圆柱 体(内径30mm×高100mm)。
也就是把铜原料(纯度99.99%)放在6.665Pa(5×10-2Torr)、1250 ℃条件下0.1小时后,在加压气体的气氛下(0.4MPa H2+0.4MPa Ar), 在1250℃熔融0.5小时。
然后在相同的加压条件下,把溶解有气体的 熔融铜注入圆筒状铸模,从底部冷却面开始,使其向圆柱形铸模的上 方凝固,得到了图14(c)所示形状的多孔铜圆柱体。
从此圆柱体切下厚度3mm的园板试样,放在白纸上,从上方照 射光时,如图27所示,可以看出形成大量孔径一致的气孔。
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