專利名稱：金屬多孔體生產方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生產金屬多孔體的方法。
背景技術：
近年來，多孔材料例如多孔金屬已經受到廣泛研究，并且正在朝著實際應用作為過濾器、靜壓軸承、醫(yī)療器械、體育用品等的方向發(fā)展。
例如美國專利No.5181549披露了一種用于生產多孔體例如金屬多孔體的方法。更具體地說，該生產方法包括在壓力下將氫或含氫氣體溶解進熔融金屬材料中，然后在受控溫度和壓力條件下冷卻該熔融金屬以使之固化。
日本待審專利公開No.10-88254披露了一種用于生產金屬多孔體的方法，該方法包括在加壓氣體氛圍下將金屬熔融并且使該熔融金屬固化的步驟，該金屬在等壓氣體氛圍下在金屬-氣體相圖中具有一共晶點。日本待審專利公開No.2000-104130披露了一種用于生產具有形狀受控的孔隙等的金屬多孔體的方法，該方法包括在加壓氛圍下將氫、氧、氮等溶解進熔融金屬中，并且冷卻該熔融金屬以在控制溫度和壓力的同時使之固化。
根據上述方法，將在熔爐中熔融的金屬澆注到模具中，并且通過從模具散熱使之固化。當在這些方法中采用了具有高導熱性的金屬例如銅、鎂等時，該熔融金屬通過散熱迅速固化，以便能夠形成相對均勻的孔隙。但是，當將這些方法應用于其中采用了一般使用的實際應用材料例如鋼、不銹鋼等的情況時，由于其導熱性較低，冷卻速度在金屬體的內部中下降，這導致形成明顯粗大的孔隙，因此難以形成均勻的孔隙。具有不均勻孔隙尺寸的這種多孔體其缺點在于，因為當施加負載時孔隙越大其所受到的應力越大，所以不能確保高強度。而且，這種多孔體不能用作需要孔隙直徑均勻的過濾器。

發(fā)明內容
本發(fā)明是鑒于現(xiàn)有技術的上述問題開發(fā)出的。本發(fā)明主要目的在于提供一種用于生產金屬多孔體的新穎方法，由此能夠與所采用的原料的導熱性無關地形成均勻的孔隙，另外即使在生產棒狀、板狀等較長或大尺寸產品時也能夠形成多個沿著一個方向拉長的均勻孔隙。
本發(fā)明人已經進行了深入研究以實現(xiàn)上面的目的。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)通過一種采用了懸浮區(qū)域熔煉方法的特殊工藝來實現(xiàn)以下顯著的效果，該方法包括以下步驟，部分熔融初始金屬材料同時使該材料運動；將多種氣體溶解進熔融金屬；并且使該熔融金屬固化。即，根據該方法，能夠通過適當確定所使用的氣體種類、氣體的組合、氣壓等來控制溶解進熔融金屬的氣體量，并且進而能夠通過選擇初始金屬材料的運動速度、冷卻方法等來隨意控制孔隙形狀、孔隙尺寸、孔隙率等。而且，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)該方法即使在采用導熱性較低的較長或大尺寸初始金屬材料時也能夠生產出具有沿著一個方向拉長的微孔隙的多孔體。本發(fā)明是基于這些新穎發(fā)現(xiàn)來完成的。
如下所述，本發(fā)明提供生產金屬多孔體的方法以及由該生產方法生產出的金屬多孔體1.一種生產金屬多孔體的方法，該方法包括在氣體氛圍下通過懸浮區(qū)域熔煉法連續(xù)熔融部分初始金屬材料同時使該材料運動，從而將氣體溶解進所得到的熔融金屬區(qū)域中；并且通過冷卻使熔融金屬區(qū)域連續(xù)固化。
2.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬材料在包含有所要溶解氣體的氛圍下熔融，該氣體為選自氫、氮、氧、氟和氯中的至少一種。
3.根據上面項目2所述的方法，其中，所要溶解的氣體的壓力在10-3Pa到100Mpa的范圍內。
4.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬材料在所要溶解的氣體和惰性氣體的混合氣體氛圍下熔解。
5.根據上面項目4所述的方法，其中，惰性氣體的壓力在0到90Mpa的范圍內。
6.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬材料為鐵、鎳、銅、鋁、鎂、鈷、鎢、錳、鉻、鈹、鈦、銀、金、鉑、鈀、鋯、鉿、鉬、錫、鉛、鈾或包含這些金屬中一種或多種的合金。
7.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬材料的熔融溫度在其熔點溫度到高于該熔點500℃范圍內。
8.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬材料的運動速度在10μm/秒到10000μm/秒的范圍內。
9.根據上面項目1所述的方法，其中，初始金屬在以1至100rpm的轉速轉動的同時運動。
10.根據上面項目1所述的方法，其中，采用自然冷卻或強制冷卻來通過冷卻使熔融金屬固化。
11.根據上面項目10所述的方法，其中利用選自通過吹氣進行冷卻的方法、通過與水冷套管接觸來進行冷卻的方法以及通過與位于初始金屬材料的一個或兩個端部處的冷卻塊接觸來進行冷卻的方法中的一種或多種方法來對熔融金屬進行強制冷卻。
12.根據上面項目1所述的方法，其中，在通過懸浮區(qū)域熔融方法來使初始金屬材料熔融之前，在從室溫至低于金屬熔點的溫度的范圍內的溫度下將初始金屬材料保持在減壓下，由此使該初始金屬材料脫氣。
13.由根據上面項目1至項目12所述的任一種方法獲得的金屬多孔體。
14.根據上面項目13所述的金屬多孔體，其中，采用鐵基金屬作為初始金屬材料，并且采用氮作為所要溶解的氣體。
附圖的簡要說明

圖1為一剖視圖，示意性地顯示由本發(fā)明獲得的金屬多孔體。
圖2為一縱向剖視圖，示意性地顯示由本發(fā)明獲得的金屬多孔體。
圖3為一示意圖，示意性地顯示用于在使材料垂直運動的同時連續(xù)熔融部分初始金屬材料的過程。
圖4為剖視圖，示意性地顯示由本發(fā)明獲得的不銹鋼多孔體；一個視圖顯示在氫和氬的混合氣體氛圍下生產出的不銹鋼多孔體，另一個視圖顯示在氫氣氛圍下生產出的不銹鋼多孔體。
圖5為一曲線圖，顯示在氫和氬的混合氣體氛圍下生產多孔不銹鋼體的情況下孔隙率和氫分壓/氬分壓的關系。
圖6為示意圖，示意性地顯示出用于對按照懸浮區(qū)域熔煉法生產的熔融金屬進行強制冷卻的兩種模式。
圖7為示意性剖視圖，部分顯示出在初始金屬材料的運動速度變化的情況下獲得的金屬多孔體；其中兩個視圖中的每一個顯示出在進行冷卻以使熔融金屬固化時受到氣體噴吹的金屬多孔體；并且另兩個視圖的每一個顯示出沒有受到氣體噴吹的金屬多孔體。
圖8為一剖視圖，示意性地顯示出在本發(fā)明中用來生產金屬多孔體的設備的一個示例。
圖9為一曲線圖，顯示出對于采用氮氣或氫氣作為所要溶解的氣體所獲得的鐵多孔體而言在孔隙率和沿著與孔隙生長方向平行的方向的拉伸屈服應力之間的關系。
圖10為一曲線圖，顯示出對于采用氮氣或氫氣作為所要溶解的氣體所獲得的鐵多孔體而言在孔隙率和沿著與孔隙生長方向平行的方向的拉伸強度之間的關系。
在這些附圖中，參考標號1表示氣密容器，參考標號2和3表示密封元件，參考標號4表示排氣管，參考標號5表示供氣管，參考標號6表示初始金屬材料，參考標號7表示高頻加熱線圈，參考標號8表示吹風機，參考標號9A和9B表示吹風管，參考標號10表示冷卻單元，參考標號11和12表示水冷循環(huán)管，參考標號13表示水冷套管，并且參考標號14和15表示水冷循環(huán)管。
具體實施例方式
在本發(fā)明中，可以用作初始金屬材料的是這樣一種材料，它在液相中具有高氣體溶解度并且在固相中具有低氣體溶解度。處于熔融狀態(tài)中的這種金屬溶解大量氣體。但是，溶解的氣體量在金屬開始隨著溫度下降而固化時急劇減少。因此，在初始金屬材料熔融時適當控制溫度和周圍氣體壓力，并且在適當選擇冷卻速度、周圍氣體壓力等的同時使熔融金屬固化，由此由于已經溶解在液相中的氣體的分離，所以能夠在固相中在固相和液相之間的界面附近形成氣泡。這些氣泡隨著金屬的固化而出現(xiàn)并且長大，由此在固相部分中形成許多孔隙。
如下面所詳細說明的一樣，根據本發(fā)明的方法，通過懸浮區(qū)域熔煉法來連續(xù)使初始金屬材料部分熔融，并且將氣體溶解到該熔融金屬中。之后，在控制冷卻條件的同時使該熔融金屬固化，由此可以適當控制在所得到的產品中的孔隙形狀、孔隙直徑、孔隙率等。從而，能夠形成具有大量沿一個方向拉長的微孔的多孔金屬體。
圖1為一剖視圖，示意性地顯示出由本發(fā)明的方法獲得的金屬多孔體。圖2為一縱向剖視圖，示意性地顯示出該金屬多孔體。從圖1和2中可以看出，本發(fā)明的方法提供了這樣一種金屬多孔體，其中形成有許多沿著縱向方向延伸的大致均勻的微孔隙。
根據本發(fā)明的方法，可以沒有限制地采用任意金屬作為初始金屬材料，只要該金屬在液相中具有高氣體溶解度，并且在固相中具有低氣體溶解度。更具體地說，本發(fā)明的方法可以使用導熱率較低的金屬材料作為初始金屬材料，例如鋼、不銹鋼。鎳基超合金等，它們難以通過已知方法形成均勻的孔隙。可以用作初始金屬材料有鐵、鎳、銅、鋁、鎂、鈷、鎢、錳、鉻、鈹、鈦、銀、金、鉑、鈀、鋯、鉿、鉬、錫、鉛、鈾或由包含這些金屬一種或多種的合金。
根據本發(fā)明的方法，初始金屬材料在通過懸浮區(qū)域熔煉法運動的同時連續(xù)部分熔融。初始金屬材料的運動方向沒有特別限制，并且可以設定為任意方向例如與重力垂直的方向、與重力平行的方向等。圖3示意性低顯示出用于在連續(xù)熔融部分材料的同時使棒狀初始金屬材料垂直運動的生產方法。
初始金屬材料在形狀上沒有特別限制，并且可以為任意形狀，只要該初始金屬材料可以通過懸浮區(qū)域熔煉法連續(xù)部分熔融并且通過冷卻固化。例如，可以采用成棒、板、圓柱形管等形狀的長初始金屬材料。當金屬材料成板狀時，它優(yōu)選為圓柱形并且直徑為0.3至200mm，以使得該材料能夠在受到冷卻時迅速冷卻到其內部。在板狀初始金屬材料的情況中，該板狀長金屬優(yōu)選大約厚為0.1至100mm并且寬約0.1至500mm。
其中懸浮區(qū)域熔煉法中的條件沒有特別限制，并且能夠如在已知方法中一樣進行適當選擇。
為了部分加熱金屬材料，能夠適當采用在懸浮區(qū)域熔煉方法的技術中采用的加熱方法。通常，采用高頻感應加熱。但是，液可以采用其它激光方法例如激光加熱、通過焦耳熱進行電阻加熱、用電阻加熱爐進行加熱、紅外線加熱、電弧加熱等。
所溶解的氣體量隨著熔融部分的溫度升高而增加，而熔融部分的高溫使得熔融金屬需要更長的冷卻時間來固化，因此孔隙直徑可能較大?？梢酝ㄟ^考慮上述因素來確定合適的熔融溫度。通常，優(yōu)選的是，熔融溫度為熔點的溫度至比熔點高大約500℃的溫度范圍內。
所要熔融部分的長度可以根據所使用的初始金屬材料的種類和形狀等來確定，并且可以在其中熔融部分的形狀可以由于表面張力保持而不會出現(xiàn)熔融部分掉落的范圍內。
必要的話，初始金屬材料可以以大約1至100rpm的速度轉動。當初始金屬材料在轉動的同時運動時，初始金屬材料在熔融期間受到均勻加熱。具體地說，使得直徑較大的棒狀初始金屬材料在縱向軸向上轉動，以便能夠更加均勻地加熱該材料，并且能夠進行快速而均勻的熔融。
根據本發(fā)明的方法，應該將熔融部分放在包含有所要溶解的氣體(即，溶解氣體)的氛圍中。當在溶解氣體氛圍下將初始金屬材料熔融時，大量氣體能夠溶解在初始金屬材料的熔融部分中。
對于溶解氣體而言，根據所使用的初始金屬材料的類型，可以使用這樣一種氣體，該氣體在液相金屬中具有高溶解度，并且在固相金屬中具有低溶解度。這種氣體的示例有氫氣、氮氣、氧氣、氟氣、氯氣等。這些氣體能夠單獨使用或以兩種或多種結合使用?？紤]到安全性，在這些氣體中氫氣、氮氣、氧氣等是優(yōu)選的。在一些情況中，所形成的孔隙只包含溶解氣體。在其它情況中，所形成的孔隙可以包含通過在熔融金屬中的組分與溶解氣體的反應所生產出的氣體。例如，當使用氧氣作為溶解氣體并且在熔融金屬材料中包含有碳時，所形成的孔隙可以包含有一氧化碳、二氧化碳等。
當初始金屬材料為鐵、鎳和包含這些金屬的合金時，優(yōu)選的是使用選自氫氣和氮氣中的至少一種氣體作為溶解氣體。當初始金屬材料為銅、鋁、鎂、鈷、鎢、錳、鉻、鈹、鈦、鈀、鋯、鉿、鉬、錫、鉛、鈾或包含有這些金屬的合金時，優(yōu)選采用氫氣作為溶解氣體。當初始金屬材料為銀、金或包含這些金屬的合金時，優(yōu)選采用氧氣作為溶解氣體。
溶解氣體趨向于隨著氣壓增加而不斷溶解在熔融金屬中，這導致所得到的金屬多孔體具有更高的孔隙率。因此，可以通過考慮初始金屬材料的類型，所要求的孔隙形狀、孔隙直徑和所得到的多孔體的孔隙率等來適當確定溶解氣體壓力。溶解氣體壓力優(yōu)選大約為10-3Pa至100MPa，并且更優(yōu)選為10Pa至100MPa。
在根據本發(fā)明的懸浮區(qū)域熔融法中，通常將熔融部分和冷卻/固化部分保持在相同的氣體氛圍中。在將溶解氣體與惰性氣體混合在一起時能夠更加精確地控制金屬多孔體的孔隙直徑和孔隙率。
更具體地說，當使用溶解氣體和惰性氣體的混合物并且使惰性氣體壓力保持恒定時，多孔體的孔隙率隨著溶解氣體壓力的增加而增加。相反，當使溶解氣體壓力保持恒定時，多孔體的孔隙率隨著惰性氣體壓力的增加而減小。這些現(xiàn)象可以歸因于以下事實。即，惰性氣體難以溶解到熔融金屬中。因此，在施加高惰性氣體壓力的情況中，當使熔融金屬冷卻以固化時，因為惰性氣體對熔融金屬的溶解度較低，多孔體受到惰性氣體的加壓。因此，降低了多孔體的孔隙體積。
同時，在多孔體中的孔隙率隨著在氣體混合物的總氣體壓力的增加而增加。
可以使用的惰性氣體包括氦氣、氬氣、氖氣、氪氣、氙氣等。這些氣體能夠單獨使用或以兩種或多種氣體結合使用。
惰性氣體壓力沒有限制，但是可以適當確定，以便形成所要求的多孔體。該壓力優(yōu)選為大約90MPa或更小。溶解氣體和惰性氣體的混合比沒有特別限制，但是通常惰性氣體壓力大約為溶解氣體和惰性氣體的總壓的大約95％或更少。為了利用加有惰性氣體的混合物獲得效果，該惰性氣體壓力通?？梢詾榭倝旱拇蠹s5％或更大。
圖4示意性地顯示出不銹鋼多孔體(SUS304L)的剖視圖；一個多孔體是在包含有1.0MPa的氫氣和1.0MPa的氬氣的混合氣體氛圍下生產出的，而另一個是在包含2.0MPa氫氣的氫氣氛圍下生產出的。在圖4中所示的多孔體在初始金屬材料的運動速度為160μm/秒并且熔融溫度為1430至1450℃的條件下生產出。在2.0MPa氫氣的情況下生產出的多孔體的橫截面只是部分顯示出。
圖4表明，當使用包含氫氣(1.0MPa)和氬氣(1.0MPa)的混合氣體時，孔隙率非常低，并且孔隙直徑也較小。
圖5為一曲線圖，顯示出采用不銹鋼(SUS304L)作為初始金屬材料在氫和氬的混合氣體氛圍下生產出多孔體中孔隙率和氫氣分壓/氬氣分壓之間的關系。該曲線圖顯示出在氬氣分壓隨著例如保持在0.6MPa下的氫氣壓力而增加時，氣泡體積即孔隙率降低。而且，當總氣體壓力保持恒定時，孔隙率隨著氫氣分壓的增加而增加。
通過如上所述一樣熔融初始金屬材料然后冷卻熔融金屬以進行固化，由于已經溶解在液相中的氣體的分離，在固相中在固相和液相之間的界面附近形成氣泡。根據采用懸浮區(qū)域熔煉方法的本發(fā)明的過程，金屬材料受到連續(xù)冷卻，同時金屬材料運動。因此冷卻速度沿著金屬的縱向方向大致恒定。因此，能夠在縱向方向上控制孔隙形狀、孔隙直徑等，由此能夠獲得沿著縱向方向延伸的具有均勻孔隙的多孔體。
在該情況中，能夠通過改變初始金屬材料的運動速度來控制多孔體的孔隙直徑。更具體地說，通過更高的初始金屬材料的運動速度實現(xiàn)的更高的冷卻速度防止了氣泡主動合并以變得粗大。因此，能夠獲得具有直徑較小的孔隙的多孔體。
初始金屬材料的運動速度沒有特別限制，并且可以通過考慮所使用的初始金屬材料的尺寸、所要求的孔隙直徑等來確定，以便獲得適當的冷卻速度。通常，運動速度在大約10μm/秒至10000μm/秒的范圍內。
另外，在對熔融金屬部分進行強迫冷卻以便固化時，整個金屬與在受到自然冷卻時相比能夠更快速地冷卻。因此，抑制了孔隙在金屬體內部擴大，并且確保了形成直徑更小的孔隙。具體地說，即使在使用導熱性較低的金屬，以適當確定的冷卻速度進行強迫冷卻使得能對金屬體內部進行快速冷卻，由此能夠形成均勻的孔隙。
強制冷卻方法沒有特別限制，能夠采用各種方法，包括通過吹氣進行冷卻的方法；通過與水冷套管接觸來進行冷卻的方法，在水冷套管中形成有與初始金屬材料的外形對應的內表面；以及通過與位于初始金屬材料的一個或兩個端部處的水冷卻塊接觸來進行冷卻的方法。在圖6中，左邊視圖示意性地顯示出通過吹氣來進行冷卻的方法，而右邊視圖示意性地顯示出使用水冷套管來進行冷卻的方法。吹氣方法例如包括在使已經保留在設備底部處的低溫大氣循環(huán)流動的同時用于向所要固化的部分吹送高壓氣體的方法。
當采用這種方法來進行強制冷卻時，與金屬體的運動速度無關地保持大溫度梯度。因此，冷卻速度隨著運動速度的增加而增加，由此能夠獲得具有直徑更小的孔隙的多孔體。
圖7為一剖視圖，局部顯示出分別在初始金屬材料的運動速度為160μm/秒和330μm/秒的條件下生產出的金屬多孔體；一個通過吹氣進行強制冷卻而另一個不是。采用不銹鋼(SUS304L)作為初始金屬材料在2.0MPa氫氣氛圍以及1430至1450℃的熔融溫度下生產出這些多孔材料。
從圖7中可以看出，初始金屬材料運動速度上升產生出這樣一種趨勢，即孔隙直徑減小并且孔隙率下降。具體地說，吹氣方法強烈加強了這種趨勢。
而且，根據本發(fā)明的方法，必要的話，可以在通過懸浮區(qū)域熔煉方法來使初始金屬材料熔融之前使初始金屬材料脫氣?？梢酝ㄟ^將多孔體的初始金屬材料放在氣密容器中并且在室溫至低于金屬熔點的溫度下使之保持在減壓下進行脫氣過程。該過程降低了包含在金屬中的雜質量，因此能夠獲得更高品質的金屬多孔體。
在脫氣步驟中的減壓條件隨著所使用的初始金屬材料的類型、所要從初始金屬材料中除去的雜質組分(例如氧氣、氮氣和氫氣)等變化。該壓力通常大約為7Pa或更低，優(yōu)選為7Pa至7×10-4Pa。如果減壓不夠，則剩下的雜質會損害該金屬多孔體的耐腐蝕性、機械強度、韌性等。相反，過大的壓力降低在一定程度上改善了所得到的金屬多孔體的性能，但是大大增加了生產以及操縱該設備的成本，因此并不理想。
在脫氣期間初始金屬材料所保持的溫度在室溫和低于初始金屬材料的熔點的溫度之間，并且優(yōu)選為低于熔點大約50℃的溫度至低于熔點200℃的溫度。
在脫氣步驟期間金屬的保持時間可以根據包含在金屬中的雜質類型和數量、所需要的脫氣程度等來適當確定。
圖8為一剖視圖，示意性地顯示出根據本發(fā)明的方法用來生產金屬多孔體的設備的一個示例。
如下所述一樣使用在圖8中的設備來生產金屬多孔體。最初，驅動真空泵(未示出)通過排氣管4來將氣密容器1抽真空。然后通過供氣管5將溶解氣體和惰性氣體導入到其中直到在氣密容器1內的壓力升高至預定氣壓。氣密容器通過密封件2和3等氣密封閉。
所導入進氣密容器1中的氣體的類型和壓力可以根據所要求的孔隙率等來適當確定，這可以例如根據如圖5中所示的在孔隙率和初始建立的氣壓之間的關系來估計。
使用安裝在該生產設備上的運動機構(未示出)以預定的運動速度將初始金屬材料6導入進氣密容器1中，然后通過加熱裝置例如高頻加熱線圈7加熱至連續(xù)部分熔融。在環(huán)境氛圍中的溶解氣體溶解進熔融金屬部分中。
然后對以預定速度向下運動并且已經通過設有高頻加熱線圈7等的加熱區(qū)域的初始金屬材料6進行冷卻，從而從熔融狀態(tài)改變至固化狀態(tài)。
在圖8中所示的設備設有以下三種用于對已經通過加熱部分的初始金屬材料6進行冷卻的冷卻機構一種機構，其中通過設在氣密容器中1內的吹風機8來使在容器中的氣體循環(huán)流動并將氣體從吹風管9A和9B吹到初始金屬材料上；另一種機構，用于通過使用設在氣密容器1的底部處的冷卻單元10來使冷卻水循環(huán)穿過水冷循環(huán)管11和12來冷卻初始金屬材料的端部；以及另一種機構，用于通過使用設置在初始金屬材料周圍的環(huán)形水冷套管13來使循環(huán)水循環(huán)穿過水冷循環(huán)管14和15來進行接觸冷卻。在圖8中所示的設備中，根據所要求的孔隙形狀、孔隙直徑、孔隙率等，能夠采用這些冷卻機構中的至少一種，或者相反，能夠使用自然冷卻。
在固化金屬中，由于溶解氣體與熔融金屬分離形成氣泡。這些氣泡在金屬固化時沿著縱向方向延伸，由此產生出具有許多孔隙的金屬多孔體。
通過密封件3從該設備中將所生產的金屬多孔體取出。這就完成了生產過程。
如上所述，本發(fā)明的方法提供了這樣一種金屬多孔體，其中形成有沿著縱向方向延伸的均勻微孔。根據本發(fā)明的方法，即使在使用導熱性較低的材料例如鋼、不銹鋼、鎳基超合金等時也能夠按要求控制孔隙形狀、孔隙率等。因此，本發(fā)明的方法具有很大的實用性。
通過適當確定熔融溫度、所使用的溶解氣體的類型和壓力、惰性氣體的混合比、初始金屬材料的運動速度、冷卻條件等能夠按要求控制在所生產的金屬多孔材料中的孔隙形狀、孔隙直徑、孔隙率等。通常，能夠將孔隙直徑控制在大約為10μm至10mm的寬范圍內。另外，能夠生產出具有孔隙直徑為大約10μm或更小的微孔的多孔體。而且，孔隙率能夠按要求在大約80％或更小的范圍內選擇。
根據本發(fā)明的方法，當使用鐵基金屬例如工業(yè)用純鐵、碳鋼、不銹鋼、Fe-Cr合金、鑄鐵等作為初始金屬材料，并且使用氮氣作為溶解氣體時，所生產出的金屬多孔體具有極高的拉伸強度、壓縮強度等。這種多孔體在作為輕型高強度金屬材料方面具有很大的實用性。而且，由于采用氮氣作為溶解氣體能夠在生產中實現(xiàn)較高的安全性，因此該生產方法非常實用。
通過采用氮氣作為溶解氣體來獲得這種高強度鐵基多孔材料的原因如下。即，根據本發(fā)明的方法，溶解的氮氣與含鐵金屬形成固溶體。因此，所得到的金屬多孔體由于除了形成有均勻的微孔之外還形成有這種固溶體并且氮氣在該多孔材料中分散而得到強化。
工業(yè)實用性根據本發(fā)明的金屬多孔體生產方法，能夠很容易控制孔隙形狀、孔隙直徑、孔隙率等。另外，即使使用導熱性較低的初始金屬材料，也能夠獲得具有沿著縱向方向延伸的均勻微孔的金屬多孔體。
所生產出的金屬多孔體是輕型的，并且具有高比強度(強度/重量)、優(yōu)異的可機加工性、可焊接性等。根據本發(fā)明的金屬多孔體由于這種獨特結構和優(yōu)異的特性所以可能夠在廣泛的領域中。
具體地說，在氮氣氛圍下生產出的鐵基合金多孔體非常有效地作為輕型高強度鐵材料。
根據本發(fā)明生產出的多孔體的用途示例有氫存儲材料、防震材料、震動吸收材料、電磁屏蔽材料、在各種結構(主結構材料、用于運輸裝置例如汽車、輪船、飛機等的發(fā)動機部件和其它部件、用于火箭發(fā)動機或噴氣發(fā)動機的陶瓷支撐件、用于太空設備的輕型面板、機床部件等)中的零部件和結構部件、醫(yī)療應用材料(例如人造關節(jié)、假牙等)熱交換材料、熱沉材料、隔聲材料、氣體/液體分離材料、輕型結構部件、自潤滑軸承材料、靜壓軸承、過濾器、在氣體/液體反應中的吹氣材料等等。根據本發(fā)明的金屬多孔體不限于上面的用途，而是同樣能夠用在各種其它用途中。
實施本發(fā)明的最佳方式下面將參照實施例對本發(fā)明進行更詳細地說明。
實施例1采用純度為99.99％的鐵作為初始金屬材料并且采用在圖8中所示的設備來生產出各種孔隙率不同的金屬多孔體。作為初始金屬材料，采用直徑為10mm并且長為1000mm的圓柱形材料。
將氮氣或氫氣作為溶解氣體提供進該設備中，并且必要時另外提供氬氣以便控制孔隙率。
將初始金屬材料的運動速度設定為160μm/秒。采用高頻加熱線圈作為加熱裝置，并且將熔融部分的溫度保持在1555℃。
圖9為一曲線圖，顯示出所獲得的金屬多孔材料的孔隙率和拉伸屈服應力之間的關系。圖10為一曲線圖，顯示出孔隙率和拉伸強度之間的關系。在圖9中的曲線圖顯示出在沿著與孔隙生長方向平行的方向的拉伸屈服強度上的測量結果。在圖10中的曲線圖顯示出在沿著與孔隙的生長方向平行的方向的拉伸強度上的測量結果。
下表1顯示出針對如在圖9和10中所示的金屬多孔材料中的一些材料的在溶解氣體/惰性氣體的壓力和平均孔隙率之間關系。
表1

從圖9和10中可以看出，當在氮氣氛圍下采用鐵作為初始金屬材料生產出金屬多孔體時，與在氫氣氛圍下生產出的金屬多孔體相比獲得高強度多孔體。
更詳細地說，即使在該多孔材料體具有40％的孔隙率時，在氮氣氛圍下生產出的金屬多孔體也具有與沒有任何孔隙的鐵材料基本上相同的拉伸強度。因此，這種金屬多孔體作為輕型高強度鐵材料非常有用。
權利要求
1.一種生產金屬多孔體的方法，該方法包括在氣體氛圍下通過懸浮區(qū)域熔煉法連續(xù)熔融部分初始金屬材料同時使該材料運動，從而將氣體溶解進所得到的熔融金屬區(qū)域中；并且通過冷卻使熔融金屬區(qū)域連續(xù)固化。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在包含有所要溶解氣體的氛圍下熔融所述初始金屬材料，該氣體為選自氫、氮、氧、氟和氯中的至少一種。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所要溶解的氣體的壓力在10-3Pa至100Mpa范圍內。
4.如權利要求1所述的方法，其中，初始金屬材料在所要溶解的氣體和惰性氣體的混合氣體氛圍下溶解。
5.如權利要求4所述的方法，其中，惰性氣體的壓力在0至90Mpa的范圍內。
6.如權利要求1所述的方法，其中，初始金屬材料為鐵、鎳、銅、鋁、鎂、鈷、鎢、錳、鉻、鈹、鈦、銀、金、鉑、鈀、鋯、鉿、鉬、錫、鉛、鈾或包含有這些金屬中的一種或多種的合金。
7.如權利要求1所述的方法，其中，初始金屬材料的熔融溫度在其熔點溫度到高于該熔點500℃的溫度的范圍內。
8.如權利要求1所述的方法，其中，初始金屬材料的運動速度在10μm/秒至10,000μm/秒的范圍內。
9.如權利要求1所述的方法，其中，初始金屬在以1至100rpm的轉速轉動的同時運動。
10.如權利要求1所述的方法，其中，采用自然冷卻或強制冷卻來通過冷卻使熔融金屬固化。
11.如權利要求10所述的方法，其中，利用選自通過吹氣進行冷卻的方法、通過與冷卻套管接觸來進行冷卻的方法以及通過與位于初始金屬材料的一個或兩個端部處的冷卻塊接觸來進行冷卻的方法中的一種或多種方法來對熔融金屬進行強制冷卻。
12.如權利要求1所述的方法，其中，在通過懸浮區(qū)域熔融方法來使初始金屬材料熔融之前，在從室溫至低于金屬熔點的溫度的范圍內的溫度下將初始金屬材料保持在減壓下，由此使該初始金屬材料脫氣。
13.由如權利要求1至12所述的任一種方法獲得的金屬多孔體。
14.如權利要求13所述的金屬多孔體，其中，采用鐵基金屬作為初始金屬材料，并且采用氮作為所要溶解的氣體。
全文摘要
本發(fā)明提供一種生產金屬多孔體的方法，該方法包括在氣體氛圍下通過懸浮區(qū)域熔煉法連續(xù)熔融部分初始金屬材料同時使該材料運動，從而將氣體溶解進所得到的熔融金屬區(qū)域中；并且通過冷卻使熔融金屬區(qū)域連續(xù)固化。根據本發(fā)明的方法，即使在初始金屬材料具有較低的導熱性時，也可以生產出具有只沿著縱向方向生長的均勻微孔的金屬多孔體。
文檔編號B22D25/00GK1620348SQ02828219
公開日2005年5月25日 申請日期2002年8月26日 優(yōu)先權日2002年2月22日
發(fā)明者中嵨英雄 申請人:中嵨英雄