權(quán)利要求

1.金屬空心球的制備方法，其特征在于，該方法以泡沫球作為造孔模板，先在造孔模板表面均勻粘附金屬漿料，然后放入金屬粉末中進行離心滾動，再采用篩網(wǎng)篩分得到粉末包覆球體，自然晾干后在真空環(huán)境下燒結(jié)，經(jīng)球磨得到金屬空心球；所述金屬粉末與金屬漿料中的金屬粉末種類相同。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述泡沫球為聚苯乙烯球、聚氨酯球或聚丙烯球。 

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述金屬漿料由粘結(jié)劑和金屬粉末按照1：1～1：2的質(zhì)量比混勻而成。 

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇粘結(jié)劑，且聚乙烯醇粘結(jié)劑的制備過程為：將聚乙烯醇顆粒和純凈水按照0.5：10～1：10的質(zhì)量比混合后加熱至90℃攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫并呈現(xiàn)拉絲狀膠體。 

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述金屬漿料的金屬粉末粒度為-200～-500目。 

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述離心滾動過程中通過調(diào)節(jié)離心器的轉(zhuǎn)速為60r/min～80r/min進行均勻離心滾動1.5h～2h。 

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，將所述粉末包覆球體重復(fù)表面均勻粘附金屬漿料、放入金屬粉末中進行離心滾動、采用篩網(wǎng)篩分的工藝，直至達到設(shè)計厚度。 

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)采用階段保溫，具體過程為：將自然晾干后的粉末包覆球體以5℃/min的速率升至250℃并保溫30min，然后以5℃/min的速率升至350℃保溫1h，再以10℃/min的速率升至1050℃保溫1h，隨爐冷卻。 

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述球磨采用金屬鋼珠作為磨球，且球料比為1：1～1：3，球磨時間為1h～2h，金屬鋼珠與金屬空心球的直徑比偏差為±2mm。

說明書

金屬空心球的制備方法

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及金屬空心球的制備方法。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的金屬泡沫材料、金屬蜂窩材料及金屬多孔夾芯材料由于其存在孔隙大小分布不均勻、孔隙排列不規(guī)則，導(dǎo)致縱向和橫向力學(xué)性能差異較大。金屬空心球復(fù)合泡沫材料是一種兼具功能和結(jié)構(gòu)雙重屬性的新型功能材料，由于其密度小、孔隙度高、孔隙均勻可控、力學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點成為近年來的研究熱點。

金屬空心球是構(gòu)成金屬空心球復(fù)合泡沫材料的主要原料，對其性能起著決定性的作用，尺寸均勻的金屬空心球使復(fù)合泡沫材料的孔隙分布均勻，不易變形。有序排列的金屬空心球顆粒與金屬或陶瓷通過燒結(jié)或熔鑄形成的金屬空心球復(fù)合材料，由于其內(nèi)部空心，外部致密，形成一個密閉孔隙，能有效地抑制對流和輻射傳熱。且球形孔隙承載力較強，具有較強的能量吸收能力，在裝甲防護、隔音降噪方面也有潛在的應(yīng)用。

目前金屬空心球的制備方法有霧化法、金屬流化床法和機械沖壓法等。霧化法產(chǎn)量低(通常只有1％～5％)，且獲得的空心球的尺寸較小，一般適用于空心金屬粉末，工藝不易控制，成品率較低；金屬流化床法從理論上講可以制備任何金屬及合金的空心球材料，但工序復(fù)雜，成本較高；機械沖壓法適用于大尺寸金屬空心球的制備，一般是先壓出2個一樣的半球，再通過后續(xù)加工(焊接、拋光等)，不適用于批量生產(chǎn)。激光打印技術(shù)(SLM)能制備出帶有小孔(用于倒出多余的粉末)的單個球，但后處理(底座切割，噴砂、拋光等)比較復(fù)雜，成本高，不適合批量生產(chǎn)。以上幾種方法在球體尺寸、工藝控制及成品率方面存在一定的局限性，目前國內(nèi)外對于批量制備金屬空心球的工藝控制研究較少。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬空心球的制備方法。該方法采用滾粉燒結(jié)法將造孔模板經(jīng)金屬漿料粘附、金屬粉末包覆、粉末冶金燒結(jié)制備得到金屬空心球，通過控制造孔模板的尺寸、金屬漿料的粘附量和金屬粉末的包覆量，有效控制了金屬空心球的球體尺寸，且金屬空心球的表面接近致密，球殼壁厚均勻，不易破裂，強度較高。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，該方法以泡沫球作為造孔模板，先在造孔模板表面均勻粘附金屬漿料，然后放入金屬粉末中進行離心滾動，再采用篩網(wǎng)篩分得到粉末包覆球體，自然晾干后在真空環(huán)境下燒結(jié)，經(jīng)球磨得到金屬空心球；所述金屬粉末與金屬漿料中的金屬粉末種類相同。

本發(fā)明根據(jù)目標(biāo)產(chǎn)物金屬空心球的尺寸，選擇對應(yīng)尺寸的泡沫球為造孔模板，通常選用在600℃以下可以完全分解的高分子材料作為泡沫球的材質(zhì)，以保證造孔模板在后續(xù)燒結(jié)過程中完全去除，先將聚苯乙烯球的表面均勻粘附金屬漿料，然后在金屬粉末中離心滾動，使得金屬粉末均勻包覆在聚苯乙烯球表面金屬漿料的外層，經(jīng)過篩篩除多余金屬粉末，得到的毛坯球體自然晾干后進行真空燒結(jié)，以除去粘結(jié)劑和聚苯乙烯球，得到內(nèi)層金屬漿料和外層金屬粉末冶金燒結(jié)形成的金屬球體結(jié)構(gòu)，經(jīng)球磨后得到表面光滑致密的金屬空心球。本發(fā)明通過控制造孔模板的尺寸、金屬漿料的粘附量和金屬粉末的包覆量，有效控制了金屬空心球的球體尺寸，且金屬空心球的表面接近致密，球殼壁厚均勻，不易破裂，質(zhì)量與性能均較佳，同時本發(fā)明的制備工藝簡單易行，對設(shè)備要求低，成本低廉，且成品率高，適用于幾乎所有種類金屬及合金粉末的金屬空心球批量制備。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述泡沫球為聚苯乙烯球、聚氨酯球或聚丙烯球。上述材質(zhì)的泡沫球易于成型，且易經(jīng)燒結(jié)去除，有效保證了金屬空心球的質(zhì)量。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述金屬漿料由粘結(jié)劑和金屬粉末按照1：1～1：2的質(zhì)量比混勻而成。更優(yōu)選按照1:1.5的質(zhì)量比混勻而成。本發(fā)明通過控制金屬漿料的組成比例，使得金屬漿料具有適當(dāng)?shù)臐舛群驼掣叫阅?，避免金屬漿料濃度過低在重力作用下沉積于造孔模板下方，出現(xiàn)上方粘附金屬粉末較少或裸露現(xiàn)象，同時避免金屬漿料中粘結(jié)劑含量少導(dǎo)致粘附性能不足、金屬粉末難以均勻粘附在造孔模板、進而導(dǎo)致造孔模板部分裸露現(xiàn)象，從而有效保證了金屬空心球的球殼壁厚均勻性。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為聚乙烯醇粘結(jié)劑，且聚乙烯醇粘結(jié)劑的制備過程為：將聚乙烯醇顆粒和純凈水按照0.5：10～1：10的質(zhì)量比混合后加熱至90℃攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫并呈現(xiàn)拉絲狀膠體。該方法制備得到的聚乙烯醇粘結(jié)劑濃度合適，易于金屬粉末混合均勻得到金屬漿料，且具有足夠的粘附能力，保證了金屬粉末的均勻粘附。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述金屬漿料的金屬粉末粒度為-200～-500目。該粒度金屬粉末制成的金屬漿料的流動性較好，有利于均勻粘附，且后續(xù)燒結(jié)過程中易形成燒結(jié)頸，提高了金屬空心球的致密性，減少后續(xù)燒結(jié)導(dǎo)致粘結(jié)劑和造孔模板分解產(chǎn)生氣體使得金屬粉末之間的孔洞增加、導(dǎo)致金屬空心球表面粗糙的現(xiàn)象。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述離心滾動過程中通過調(diào)節(jié)離心器的轉(zhuǎn)速為60r/min～80r/min進行均勻離心滾動1.5h～2h。通過控制離心滾動的轉(zhuǎn)速，保證了金屬粉末壓實并牢固地粘附在造孔模板表面的金屬漿料上，避免轉(zhuǎn)速過高導(dǎo)致離心力過大從而金屬粉末不能牢固粘附甚至飛出離心罐；通過控制離心滾動的時間，避免離心滾動時間過長、金屬漿料慢慢固化，且固化的金屬漿料在離心力與粉末包覆球體之間的相互碾壓作用下而壓裂，提高了金屬空心球的質(zhì)量。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，將所述粉末包覆球體重復(fù)表面均勻粘附金屬漿料、放入金屬粉末中進行離心滾動、采用篩網(wǎng)篩分的工藝，直至達到設(shè)計厚度。通過多次粘附、離心滾動、篩分的過程，有效增加了金屬空心球的厚度，且避免了造孔模板表面包覆的金屬粉末較少、生成球壁過薄，導(dǎo)致燒結(jié)過程中分解生成的氣體使得球壁破裂。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述燒結(jié)采用階段保溫，具體過程為：將自然晾干后的粉末包覆球體以5℃/min的速率升至250℃并保溫30min，然后以5℃/min的速率升至350℃保溫1h，再以10℃/min的速率升至1050℃保溫1h，隨爐冷卻。通過控制升溫階段及對應(yīng)的升溫速率保證了粉末包覆球體中的粘結(jié)劑和造孔模板泡沫球緩慢分解，避免了升溫速率過快導(dǎo)致分解過快、形成的氣體沖擊力過大使得金屬空心球的球殼破裂，通過控制升溫階段和保溫時間，保證了粘結(jié)劑和造孔模板泡沫球完全分解且不產(chǎn)生殘留，從而保證了金屬空心球的質(zhì)量。

上述的一種金屬空心球的制備方法，其特征在于，所述球磨采用金屬鋼珠作為磨球，且球料比為1：1～1：3，球磨時間為1h～2h，金屬鋼珠與金屬空心球的直徑比偏差為±2mm。本發(fā)明通過控制球磨的時間，減少了球體部分表面存在凹坑或明顯凸起導(dǎo)致金屬空心球表面不光滑的現(xiàn)象，同時避免了球磨時間過長導(dǎo)致金屬空心球球壁過薄、與設(shè)計壁厚尺寸偏差過大的問題；本發(fā)明通過控制球磨采用的金屬鋼珠與金屬空心球的直徑比偏差，保證了金屬鋼柱與金屬空心球之間具有足夠的摩擦力以去除金屬空心球表面凹坑或凸起，提高了金屬空心球表面的質(zhì)量，同時避免金屬鋼柱過大導(dǎo)致摩擦力和碾壓時的碰撞過大、造成金屬空心球球殼受損的問題。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1、本發(fā)明采用滾粉燒結(jié)法將造孔模板經(jīng)金屬漿料粘附、金屬粉末包覆、粉末冶金燒結(jié)制備得到金屬空心球，通過控制造孔模板的尺寸、金屬漿料的粘附量和金屬粉末的包覆量，有效控制了金屬空心球的球體尺寸，且金屬空心球的表面接近致密，球殼壁厚均勻，不易破裂，強度較高。

2、本發(fā)明滾粉燒結(jié)法的工藝簡單易行，對設(shè)備要求低，成本低廉，且成品率高，適用于幾乎所有種類金屬及合金粉末的金屬空心球批量制備。

3、相較于現(xiàn)有技術(shù)中制備金屬空心球的霧化法、激光打印技術(shù)和機械沖壓法，本發(fā)明的滾粉燒結(jié)法成品率高達70％～80％，且成本大大降低，適用于工業(yè)化批量生產(chǎn)。

4、本發(fā)明方法制備的直徑3mm～7mm的金屬空心球是金屬空心球復(fù)合泡沫材料的最佳原料，有效提高了材料的孔隙分布均勻性和抗變形能力，在吸能減震、消聲降噪、電磁屏蔽、裝甲防護等技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣泛。

下面通過附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的詳細描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明金屬空心球的制備流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例1制備的金屬空心球的實物圖。

圖3為本發(fā)明實施例2制備的金屬空心球的實物圖。

圖4為本發(fā)明實施例3制備的金屬空心球的實物圖。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本實施例包括以下步驟：

步驟一、將100g聚乙烯醇顆粒和1000mL純凈水混合后加熱至90℃攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫并呈現(xiàn)拉絲狀膠體得到聚乙烯醇粘結(jié)劑，然后將100mL聚乙烯醇粘結(jié)劑(質(zhì)量為110g)與200g粒度為-500目的316L不銹鋼粉末攪拌均勻，得到金屬漿料；

步驟二、將1g直徑為3mm～4mm的聚苯乙烯球放入步驟一中得到的金屬漿料中，邊放邊攪拌，使聚苯乙烯球表面均勻粘附金屬漿料，然后采用10目的篩網(wǎng)篩分得到包覆金屬漿料的聚苯乙烯球；

步驟三、將步驟二中得到的包覆金屬漿料的聚苯乙烯球倒入平底容器中，撒入316L不銹鋼粉末進行水平搖動，使得包覆金屬漿料的聚苯乙烯球分散成單球；

步驟四、將過量的316L不銹鋼粉末倒入離心容器中，然后加入步驟三中得到的單球，在60r/min的轉(zhuǎn)速進行均勻離心滾動1.5h，再采用篩網(wǎng)篩分得到粉末包覆球體，自然晾干得到毛坯球體；

步驟五、將步驟四中得到的毛坯球體在真空度不超過10 -1Pa的環(huán)境下燒結(jié)，得到燒結(jié)體；所述燒結(jié)的具體過程為：將自然晾干后的粉末包覆球體以5℃/min的速率升至250℃并保溫30min，然后以5℃/min的速率升至350℃保溫1h，再以10℃/min的速率升至1050℃保溫1h，隨爐冷卻；

步驟六、將步驟五中得到的燒結(jié)體進行球磨，球磨采用直徑5mm的金屬鋼珠，且球料比為1：1，球磨時間為1h，然后經(jīng)分離并采用無水乙醇清洗、烘干，得到316L不銹鋼空心球，如圖2所示。

經(jīng)檢測，本實施例制備的316L不銹鋼空心球的直徑為3.5mm～4.5mm，壁厚為0.2mm～0.3mm，密度為2g/cm 3～3g/cm 3。

本實施例的造孔模板聚苯乙烯球還可替換為聚氨酯球或聚丙烯球。

實施例2

本實施例包括以下步驟：

步驟一、將50g聚乙烯醇顆粒和1000mL純凈水混合后加熱至90℃攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫并呈現(xiàn)拉絲狀膠體得到聚乙烯醇粘結(jié)劑，然后將100mL聚乙烯醇粘結(jié)劑(質(zhì)量為105g)與100g粒度為-200目的TC4鈦合金粉末攪拌均勻，得到金屬漿料；

步驟二、將1g直徑為3mm～4mm的聚苯乙烯球放入步驟一中得到的金屬漿料中，邊放邊攪拌，使聚苯乙烯球表面均勻粘附金屬漿料，然后采用10目的篩網(wǎng)篩分得到包覆金屬漿料的聚苯乙烯球；

步驟三、將步驟二中得到的包覆金屬漿料的聚苯乙烯球倒入平底容器中，撒入TC4鈦合金粉末進行水平搖動，使得包覆金屬漿料的聚苯乙烯球分散成單球；

步驟四、將過量的TC4鈦合金粉倒入離心容器中，然后加入步驟三中得到的單球，在80r/min的轉(zhuǎn)速進行均勻離心滾動2h，再采用篩網(wǎng)篩分得到粉末包覆球體，自然晾干得到毛坯球體；

步驟五、將步驟四中得到的毛坯球體重復(fù)依次步驟二至步驟四中的工藝，自然晾干后在真空度不超過10 -1Pa的環(huán)境下燒結(jié)，得到燒結(jié)體；所述燒結(jié)的具體過程為：將自然晾干后的粉末包覆球體以5℃/min的速率升至250℃并保溫30min，然后以5℃/min的速率升至350℃保溫1h，再以10℃/min的速率升至1050℃保溫1h，隨爐冷卻；

步驟六、將步驟五中得到的燒結(jié)體進行球磨，球磨采用直徑6mm的金屬鋼珠，且球料比為1：3，球磨時間為2h，然后經(jīng)分離并采用無水乙醇清洗、烘干，得到TC4鈦合金空心球，如圖3所示。

經(jīng)檢測，本實施例制備的TC4鈦合金空心球的直徑為4.5mm～5mm，壁厚為0.4mm～0.5mm，密度為1.3g/cm 3～1.5g/cm 3。

本實施例的造孔模板聚苯乙烯球還可替換為聚氨酯球或聚丙烯球。

實施例3

如圖1所示，本實施例包括以下步驟：

步驟一、將70g聚乙烯醇顆粒和1000mL純凈水混合后加熱至90℃攪拌直至完全溶解，然后冷卻至室溫并呈現(xiàn)拉絲狀膠體得到聚乙烯醇粘結(jié)劑，然后將100mL聚乙烯醇粘結(jié)劑(質(zhì)量為107g)與150g粒度為-300目的鈦粉末攪拌均勻，得到金屬漿料；

步驟二、將1g直徑為2mm～2.3mm的聚苯乙烯球放入步驟一中得到的金屬漿料中，邊放邊攪拌，使聚苯乙烯球表面均勻粘附金屬漿料，然后采用20目的篩網(wǎng)篩分得到包覆金屬漿料的聚苯乙烯球；

步驟三、將步驟二中得到的包覆金屬漿料的聚苯乙烯球倒入平底容器中，撒入鈦粉末進行水平搖動，使得包覆金屬漿料的聚苯乙烯球分散成單球；

步驟四、將過量的鈦粉末倒入離心容器中，然后加入步驟三中得到的單球，在70r/min的轉(zhuǎn)速進行均勻離心滾動2h，再采用篩網(wǎng)篩分得到粉末包覆球體，自然晾干得到毛坯球體；

步驟五、將步驟四中得到的毛坯球體在真空度不超過10 -1Pa的環(huán)境下燒結(jié)，得到燒結(jié)體；所述燒結(jié)的具體過程為：將自然晾干后的粉末包覆球體以5℃/min的速率升至250℃并保溫30min，然后以5℃/min的速率升至350℃保溫1h，再以10℃/min的速率升至1050℃保溫1h，隨爐冷卻；

步驟六、將步驟五中得到的燒結(jié)體進行球磨，球磨采用直徑4mm的金屬鋼珠，且球料比為1：2，球磨時間為1h，然后經(jīng)分離并采用無水乙醇清洗、烘干，得到鈦空心球，如圖4所示。

經(jīng)檢測，本實施例制備的鈦空心球的直徑為2.5mm～3.5mm，壁厚為0.2mm～0.3mm，密度為1.1g/cm 3～1.3g/cm 3。

本實施例的造孔模板聚苯乙烯球還可替換為聚氨酯球或聚丙烯球。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。

金屬空心球的制備方法.pdf