技术领域
[0001] 本
发明涉及泡沫金属材料技术领域，具体涉及一种空心球金属复合泡沫材料生产方法。
背景技术
[0002] 泡沫金属材料具有轻质、阻尼减振、隔声降噪、抗冲击吸能等优良特性，一直是国内外新
型材料研制和应用的热点方向。利用泡沫金属材料的这些性能，在航天航空、轨道交通、
汽车制造、室内装饰及军工设备等领域具有广泛的应用前景。将陶瓷空心球植入金属基体中制造的泡沫金属材料相对
密度较高，
力学性能相较传统泡沫
铝有很大提高，可以应用于制造航母飞行甲板、轻质速装大桥、濒海战斗舰甲板、军车抗地雷
底板、防弹复合装甲、重型装备空降缓冲台、轻质导弹发射井盖、高
铁列车防撞结构、高铁列车声屏障、高架路隔振垫、安全校车等设备。
[0003] 目前空心球金属复合泡沫材料的制备方法主要有以下几种：
[0004]
专利号CN201410719752.3的发明专利《一种混合空心球金属基轻质
复合材料的制备方法》，采用多种空心球材料混合后加入增粘的
合金液中，通过
电磁搅拌制备金属基轻质复合材料。这种方法制备的金属基空心球复合材料由于
浮力和搅拌等多种因素，产品的均匀性差，密度大，很难制备轻质均匀的
金属基复合材料。
[0005] 专利号CN201510036143.2的发明专利《一步制备金属基轻质复合材料的方法》，该专利采用将空心球倒入铸型中预热，陶瓷球占铸型体积2/3的数量，金属液从铸型上部倒入，下部抽气的方法，空心球预热缓慢，抽
真空时间长，浸渗速度慢，生产效率低，制备的复合材料空心球体积分数低，材料密度大，不适合工程化推广应用。
[0006] 专利号CN200510119107.9的专利《高镁
铝合金－膨胀
矿石复合材料的制备方法》，提出了采用真空渗流制备高镁-铝合金-膨胀矿石复合材料的方法。以上两个专利均存在真空条件苛刻，制备成本高的问题。
[0007] 专利号CN201510664340.9的发明专利《金属基陶瓷复合材料及其制备方法》，提出了采用真空渗流法制备金属基陶瓷复合材料的方法，这种方法制备的金属基空心陶瓷球复合材料，空心陶瓷球列松散，所占的体积仅是复合材料的45％～55％，复合材料整体轻量化
水平较差，需依靠空心球堆积铸模内的真空保证金属液的渗流，且渗流过程中需保持空心球堆积方式不变，操作难度较大。
[0008] 专利号CN201310616637.9的发明专利《Al2O3空心球/铝多孔复合材料的制备方法》，提出了采用20～40Mpa压力渗流法制备铝基
氧化铝空心球复合泡沫的方法，空心球需要制成预制
块，模具整体预热到400～600℃，生产效率低，所制备的空心陶瓷球复合材料,浸渗效果差，高压下容易导致空心陶瓷球破裂，所制得的材料密度大，不具备工业化生产能力和推广应用的实用性。需要金属液有较大的渗流压力才会完全浸渗，且金属液补缩能力差，铸件
质量一致性无法保证。
[0009] 专利号CN201210357694.5的发明专利《一种金属基陶瓷复合材料及其制造方法和应用》，采用直接挤
压铸造成型的方法制备实心的陶瓷球复合材料，该工艺制备的陶瓷球复合材料内部致密，产品密度大。
[0010] 综上所述，现有的空心球金属基复合材料制备技术生产效率低，设备要求高，无法满足轻质、高强度和大尺寸异形结构件的生产需求，因而急需一种适合批量生产的低成本空心球金属复合泡沫材料制备工艺，实现产业化生产，推广空心球金属基复合材料的应用。
发明内容
[0011] 为解决上述技术问题，本发明提供一种工艺方法简单、制造成本低廉、生产成品率高的空心球金属复合泡沫材料生产方法，将预热好的陶瓷球倒入铸型中，采用底部注入铝合金液、中上部连接真空
负压罐的快速
铸造成型方法，生产工艺简单、生产效率高，所制备的空心球
金属泡沫复合材料结构件，空心陶瓷球排列紧密，金属液浸渗效果优良，为铝合金球状孔结构泡沫复合材料异型结构件的工业化推广应用提供了技术
支撑。本发明方法包括以下步骤：
[0012] S100：准备模具，所述模具设有型腔，所述型腔的形状根据需要制备的结构件形状设置；
[0013] S200：将空心陶瓷球预热，填装到所述型腔中，所述空心陶瓷球之间紧密排列；
[0014] S300：将金属原材料加热
熔化，将金属熔体升温至浇铸
温度备用；
[0015] S400：将所述金属熔体浇注到所述型腔中，所述型腔与负压罐连接抽负压，所述金属熔体在负压环境下浸渗填充到所述空心陶瓷球的间隙中；
[0016] S500：所述金属熔体自然冷却，脱模得到空心球金属复合泡沫材料结构件。
[0017] 较佳的，所述模具为砂型，所述步骤S400中采用砂型铸造方法。
[0018] 较佳的，所述模具为金属型，所述步骤S400中采用重力铸造方法或低压铸造方法。
[0019] 较佳的，所述S100中对所述模具预热，所述模具的预热温度介于150℃～350℃之间。
[0020] 较佳的，所述陶瓷空心球选自氧化铝、
碳化
硼、氮化硼、氮化
硅、氮化铝、氧化锆陶瓷中的一种或多种。
[0021] 较佳的，所述金属原材料选自纯铝、铝硅系
铸造铝合金、铝
铜系铸造铝合金、铝镁系铸造铝合金、铝锌系铸造铝合金中的一种或多种。
[0022] 较佳的，所述陶瓷空心球粒径为2mm～8mm。
[0023] 较佳的，所述步骤S200中，所述空心陶瓷球的预热温度介于300℃～800℃之间。
[0024] 较佳的，所述步骤S300中，所述金属熔体的浇铸温度介于680℃～800℃之间。
[0025] 较佳的，所述S400中，所述负压罐的压力为-0.03MPa～-0.1MPa，将抽负压装置与负压罐通过带有连接
开关的管道连接，在浇注过程中打开连接开关，使所述金属熔体在所述空心陶瓷球的间隙中负压浸渗成型。
[0026] 与
现有技术比较本发明的有益效果在于：
[0027] 本发明所述的空心球金属复合泡沫材料生产方法可以实现多孔结构复合材料不同形状的异形结构件一次性整体铸造成型，能够满足不同形状的异形结构件复合材料铸件生产工艺技术，大幅提高了金属复合泡沫材料生产效率，减少产品后续
机械加工量，降低生产成本，实用性强，为空心球金属复合泡沫材料的工程化推广应用提供了技术支撑。
[0028] 本发明采用轻质空心陶瓷球作填充物，采用低成本的砂型和金属型铸造方法，通过砂型或金属型底注和负压成型的方法，所制备的复合材料空心陶瓷球排列紧密，空心陶瓷球在复合材料中的体积比达到60％以上，轻量化水平高，实现了球状孔结构泡沫复合材料的大尺寸异形结构件产品一次性整体成型，产品中陶瓷空心球排布紧密，分布均匀，整体密度低，轻量化效果显著。
附图说明
[0029] 为了更清楚地说明本发明各
实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0030] 图1是本发明空心球金属复合泡沫材料生产方法的工艺
流程图；
[0031] 图2是实施例二砂型铸造方法的砂型结构示意图；
[0032] 图3是实施例三金属型重力铸造方法的金属型结构示意图；
[0033] 图4是实施例四金属型低压铸造方法的金属型结构示意图。
[0034] 图中数字表示：
[0035] 1.空心陶瓷球 21.上砂型 22.下砂型 23.砂型浇道 24.通气孔 25.砂型过滤网 3.第一金属型 31.金属型浇道 32.金属型过滤网 4.第二金属型 41.加热炉 42.升液管
43.浇口 5.金属熔体 6.抽负压装置
具体实施方式
[0036] 以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
[0037] 实施例一
[0038] 本实施例提供一种空心球金属复合泡沫材料生产方法，通过铸造成型的工艺使多孔结构复合材料异形结构件一次性整体成型，如图1所示，该方法包括以下步骤：
[0039] S100：准备模具，模具设有用于材料成型的型腔，型腔的形状尺寸可以根据成品结构件的需要进行调整。
[0040] S200：选取空心陶瓷球，陶瓷空心球可以选择氧化铝、碳化硼、氮化硼、氮化硅、氮化铝、氧化锆陶瓷，陶瓷空心球粒径为2mm～8mm，将空心陶瓷球预热后填装到型腔中，可以用同一种粒径的空心陶瓷球，也可以选择不同粒径的空心陶瓷球，小粒径的空心陶瓷球会填充到大粒径的空心陶瓷球间隙中，减少间隙空间。填装完成后，保证空心陶瓷球占型腔体积的60％～80％，通过不同粒径的空心陶瓷球级配可以提高空心陶瓷球占比，占比越大，制成的材料密度越小。填装在型腔内的空心陶瓷球紧密排布，且分布均匀。
[0041] S300：将金属原材料加热熔
化成金属熔体，为了提升金属熔体的浸渗效果，一般选用含硅量较高的铝硅系铸造铝合金，如ZL102。金属原材料也可以选择纯铝、铝铜系铸造铝合金、铝镁系铸造铝合金或铝锌系铸造铝合金中。金属熔体
净化后升温至浇铸温度。
[0042] S400：将金属熔体浇注到模具型腔中，型腔与负压罐连接抽负压，在浇注过程中打开连接开关，金属熔体在负压环境下浸渗填充到空心陶瓷球的间隙中，实现空心球金属复合泡沫材料的结构件一次整体成型。
[0043] S500：型腔的空隙中充满金属熔体，熔体自然冷却成金属，脱模后得到以轻质空心陶瓷球作填充物的金属复合泡沫材料。
[0044] 本实施例的工艺方法可以实现多孔结构复合材料不同形状的异形结构件一次性整体铸造成型，实用性强，能够提高空心球金属复合泡沫材料生产效率，减少产品后续机械加工量，降低生产成本，为空心球金属复合泡沫材料的工程化推广应用提供了技术支撑。且所制备的复合材料中空心陶瓷球排列紧密，空心陶瓷球在复合材料中的体积比达到60％以上，轻量化水平高，
隔音性能强，而在动态抗冲击方面，空心陶瓷球内密封气体的反压及空心陶瓷球壁的
破碎可以有效吸收冲击
能量，能够应用于军工装备，提高军工装备防爆与抗弹等自我防护性能，还可以实现高铁、汽车、
船舶、
电梯等民用装备的轻量化、低噪声与提高防撞安全性能。
[0045] 实施例二
[0046] 如图1和图2所示，一种空心球金属复合泡沫材料的砂型铸造成型制备方法，包括以下步骤：
[0047] S100：准备模具，本实施中的模具为砂型，包括上砂型21和下砂型22，上砂型21可以打开取下。下砂型22设有用于结构件成型的型腔，型腔的形状尺寸可以根据成品结构件的需要进行调整。砂型设有砂型浇道23，砂型浇道23与型腔底部连通，且在砂型浇道23与型腔连通部位设置砂型过滤网25，防止制备的材料中存在杂质。上砂型21设有与型腔连通的通气孔24，通气孔24的直径为1mm～3mm，通气孔24的分布和数量根据产品的尺寸规格做相应调整。上砂型21与一抽负压装置6连接，抽负压装置6包括真空罩、控制
阀和真空管，真空罩安装在通气孔24区域上方，使抽负压装置6可以通过通气孔24抽出型腔内空气。
[0048] S200：选取空心陶瓷球1预热至300℃～800℃，空心陶瓷球1的预热温度可根据浇注的金属熔体种类确定，为了节约
能源，空心陶瓷球1的预热温度一般以可实现金属熔体良好填充即可，对于复合的大尺寸结构件，空心陶瓷球1最高预热温度可高于金属熔体的
浇注温度。将预热后的空心陶瓷球1填装到型腔中，保证型腔内的空心陶瓷球1紧密排布，使空心陶瓷球1占型腔体积的60％～80％，且分布均匀。
[0049] S300：将金属原材料加热熔化成金属熔体，熔体净化后升温至浇铸温度，浇铸温度为680℃～800℃，保证金属熔体的流动性。
[0050] S400：将金属熔体从浇道口注入砂型，金属熔体沿砂型浇道23进入型腔，在浇注过程中将抽负压装置6与负压罐连接开关打开，负压罐的压力在浇注前调整到-0.03MPa～-0.1MPa，金属熔体在负压环境下浸渗填充到空心陶瓷球1的间隙中，填满型腔内的空隙，实现型腔的负压浇注成型。
[0051] S500：型腔中充满金属熔体和空心陶瓷球1，自然冷却后得到空心球金属复合泡沫材料的结构件。
[0052] 本实施例采用砂型铸造方法，负压环境
加速金属熔体浸渗填充，实现了球状孔结构泡沫复合材料的大尺寸、异形结构件产品一次性整体成型，产品中陶瓷空心球排布紧密，分布均匀，整体密度低，轻量化效果显著。
[0053] 实施例三
[0054] 如图1和图3所示，一种空心球金属复合泡沫材料的金属型重力铸造成型制备方法，包括以下步骤：
[0055] S100：准备模具，本实施中的模具为对开式的第一金属型3，包括左金属型和右金属型，第一金属型3可以左右打开，第一金属型3设有用于结构件成型的型腔，型腔的形状尺寸可以根据成品结构件的需要进行调整。第一金属型3设有金属型浇道31，金属型浇道31与型腔底部连通，且在金属型浇道31与型腔连通部位设置金属型过滤网32，防止制备的材料中空心陶瓷球溢入浇道中。左金属型和右金属型之间的分型面具有排气间隙，用于排出型腔内气体，排气间隙宽度为0.1mm～0.4mm，防止间隙过大金属熔体外溢，还可以在排气间隙附近设置溢液槽，用于收集溢出的金属熔体。将第一金属型3预热至150℃～350℃，模具的预热温度可根据浇注的金属熔体种类确定，以可实现金属熔体良好填充即可。
[0056] S200：选取空心陶瓷球1预热至300℃～800℃，将预热后的空心陶瓷球1填装到型腔中，使空心陶瓷球1占型腔体积的60％～80％。
[0057] S300：将金属原材料加热熔化成金属熔体，熔体净化后升温至浇铸温度680℃～800℃，保证金属熔体在浇注和浸渗填充时不会提前
凝固。
[0058] S400：将金属熔体从浇道口注入第一金属型3，金属熔体沿金属型浇道31进入型腔，在浇注过程中将抽负压装置与负压罐连接开关打开，负压罐的压力在浇注前调整到-0.03MPa～-0.1MPa。金属熔体在负压环境下浸渗填充到空心陶瓷球1的间隙中，填满型腔内的空隙。
[0059] S500：型腔中充满金属熔体和空心陶瓷球1，自然冷却后得到空心球金属复合泡沫材料的结构件。
[0060] 本实施例采用金属型重力铸造的制备方法，生产效率高，生产成本低，可一次成型空心球金属复合泡沫材料异形结构铸件，且成品尺寸
精度高，表面质量优良，加工余量小。
[0061] 实施例四
[0062] 如图1和图4所示，一种空心球金属复合泡沫材料的金属型低压铸造成型成型制备方法，包括以下步骤：
[0063] S100：准备模具，本实施中的模具为第二金属型4，第二金属型4设有用于结构件成型的型腔，型腔的形状尺寸可以根据成品结构件的需要进行调整。第二金属型4下方设有加热炉41，用于将金属原材料加热熔化成金属熔体5。加热炉41中设有升液管42，升液管42通过第二金属型4底部设置的浇口3与型腔连通。第二金属型4的分型面具有排气间隙，用于排出型腔内气体，排气间隙宽度为0.1mm～0.4mm，防止间隙过大金属熔体5外溢，还可以在排气间隙附近设置溢液槽，用于收集溢出的金属熔体5。将第二金属型4预热至150℃～350℃，模具的预热温度可根据浇注的金属熔体5种类确定，以可实现金属熔体5良好填充即可。
[0064] S200：选取空心陶瓷球1预热至300℃～800℃，将预热后的空心陶瓷球1填装到型腔中，使空心陶瓷球1占型腔体积的60％～80％。
[0065] S300：将金属原材料加热熔化成金属熔体5，熔体净化后升温至浇铸温度680℃～800℃，保证金属熔体5在浇注和浸渗填充时不会提前凝固。
[0066] S400：向密闭的加热炉41内加压，使金属溶液5沿升液管42上升，并从浇口43进入型腔，在浇注过程中将抽负压装置与负压罐连接开关打开，负压罐的压力在浇注前调整到-0.03MPa～-0.1MPa，金属熔体5在负压环境下浸渗填充到空心陶瓷球1的间隙中，填满型腔内的空隙。
[0067] S500：型腔中充满金属熔体5和空心陶瓷球1，自然冷却后得到空心球金属复合泡沫材料的结构件。
[0068] 本实施例采用金属型低压铸造的制备方法，自动化程度高，生产成本低，所制备的空心球金属复合泡沫材料异形结构铸件与重力铸造铸件相比，尺寸更大，形状更为复杂，铸件精度更高。
[0069] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明
权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，
修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
