CN103266259B - 一种泡沫钢的真空发泡制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种泡沫钢的真空发泡制备方法，属于泡沫金属材料技术领域。经过钢熔化、钢熔体增粘、钢熔体中初始气孔的产生、真空发泡、泡沫钢熔体冷却，最终得到孔隙率为70～85%、孔径为0.5～5mm的泡沫钢。本发明以SiC为增粘剂对钢熔体进行增粘处理，采用在SiC增粘的钢熔体中添加少量Cr2N，通过搅拌分散Cr2N以及Cr2N分解产生的气体，从而在钢熔体中产生分布均匀、数量众多、细小的初始气孔，然后在真空中发泡制备泡沫钢。可通过对产生的初始气孔的分布、数量、大小及真空度、发泡时间等的控制，从而对泡沫钢的孔隙率及孔结构进行控制，能在短时间内制备出性能优异的泡沫钢。本发明具有高效率、工艺简单、孔结构可控、工艺稳定等特点，能实现工业化生产。

Description

一种泡沫钢的真空发泡制备方法
技术领域
本发明涉及一种泡沫钢的真空发泡制备方法，属于泡沫金属材料技术领域。
背景技术
泡沫钢独特的孔结构，使得其兼有了结构材料和功能材料的特点。作为结构材料，它具有轻质和高比强度的特点；作为功能材料，它具备吸声、隔声、隔热、散热、阻燃、减震、吸收冲击能电磁屏蔽等多种性能，因此，泡沫钢在航天、航空、运输、电子、军工、化工、环保、能源、机械等领域都有广阔的应用前景。
目前，泡沫钢的制备主要采用粉末冶金法和熔体发泡法。粉末冶金法虽然能制备出孔隙率较高、力学性能较好的泡沫钢，但粉末冶金法存在成本高、制品尺寸小等不足；熔体发泡法制备泡沫钢，存在孔隙率低及孔结构不均匀的不足。
发明内容
本发明针对现有粉末冶金法制备泡沫钢存在着成本高、制品尺寸受限，以及熔体发泡法制备泡沫钢的孔隙率低及孔结构难以控制等不足，提供一种泡沫钢的真空发泡制备方法。
本发明通过下列技术方案实现：一种泡沫钢的真空发泡制备方法，经过下列各步骤：
（1）钢熔化：将钢加热到1580～1530℃，并保温2h；
（2）钢熔体增粘：向步骤（1）保温后的熔化钢中加入钢体积10～15%的增粘剂，然后进行搅拌增粘；
（3）钢熔体中初始气孔的产生：向步骤（2）增粘后的钢熔体中按钢质量的0.05～0.15%添加Cr2N，然后进行搅拌5～8min，使钢熔体中产生分布均匀、数量众多、孔径为0.02～0.2mm的初始气孔；
（4）真空发泡：将步骤（3）所得熔体加盖密封并抽真空，在真空度为1～10Pa下进行真空发泡5～25s；
（5）泡沫钢熔体冷却：将步骤（4）真空发泡后的泡沫钢熔体在真空条件下冷却凝固，最终得到孔隙率为70～85%、孔径为0.5～5mm的泡沫钢。
所述步骤（1）中钢是碳含量为0.20～0.77%的碳钢，其熔点为1530～1480℃，熔化温度为1580～1530℃。
所述步骤（2）的增粘剂是粒度为10μm的SiC。
所述步骤（2）的增粘剂先进预处理，即加热至1500℃，并保温3h。
所述步骤（2）的搅拌是搅拌速度为1500～2500r/min、搅拌时间为8～15min。
所述步骤（3）中Cr2N的粒度为20μm。
所述步骤（3）的搅拌是在搅拌速率为1500～2500r/min下进行。
本发明的原理如下：
1、初始气孔产生原理
向SiC增粘后的钢熔体中添加Cr2N后搅拌，Cr2N分解产生的氮气滞留、分散在钢液中而产生初始气孔。
（1）初始气体量
Cr2N的加入量为m(g)，Cr2N的分解反应为：
2Cr 2 N（s）→4Cr 2 N（s）+N 2 （g）↑（1）
假设Cr2N完全分解，分解产生的氮气质量为m1(g)、体积为A（cm3），则：
m1=(28×m)/236（2）
A=(28×m)/（236×1.25×10-3）(cm3)（3）
（2）初始气孔控制原理
Cr2N分解产生的氮气在搅拌作用下，一部分逸出，一部分保留在钢熔体中形成初始气孔，随着搅拌速度的提高、搅拌时间的延长，N2保留量减少而初始气孔的分散均匀性提高、孔径降低。通过控制Cr2N加入量、搅拌速率时间和搅拌时间，可在钢熔体中产生分布均匀、数量众多、孔径为0.02～0.2mm的初始气孔。表1为初始气孔形成的实验数据：
表1初始气孔形成实验数据
设Cr2N完全分解后的气体量为A（cm3）、搅拌速度为v（r/min）、搅拌时间为t（min），搅拌后气体保留量为a（cm3）、搅拌后初始气孔平均半径为r（mm）。
当搅拌速度为1500r/min时，由实验可得气体保留量及初始气孔平均半径与搅拌时间的关系为：
a=2.5×10-3A/t（4）
r=1/2t（5）
引入搅拌速度参数。实验表明，气体保留量及初始气孔平均半径变化率§、β与搅拌速度的关系为：
§=1-(v-1500)/10000（6）
β=1-(v-1500)/2500（7）
结合（4）和（6）、（5）和（7）式，则：
a=2.5×10-3A/t[1-(v-1500)/10000]（8）
r=1/2t[1-(v-1500)/2500]（9）
（8）式给出了气体保留量与搅拌时间及速度之间的关系，（9）式给出了初始气孔平均半径与搅拌时间及搅拌速度之间的关系。
2、孔径及孔隙率控制原理
存在有分布均匀、数量众多、孔径为0.02～0.2mm的初始气孔的钢熔体在真空条件下，初始气孔会随着真空度的提高而长大，同时初始气孔的长大还受发泡时间的影响，在熔体凝固之前，初始气孔会随时间的延长而不断长大，故通过对真空度及发泡时间的控制即可实现对孔隙率及孔径的控制。
在充分发泡条件下（即假设发泡时间充分，完全发泡的情况）：
（10）
（11）
（10）、（11）式中，P 1 、V 1 为初始气孔的压强及体积、P 2 、V 2 发泡后气孔的压强及体积，V为球的体积，r为球的半径。
设初始气孔的孔径为r1、发泡后气孔的孔径为r2（对应初始气孔的体积V 1 、发泡后的体积为V 2 ）钢的体积V 3 、孔隙率为K，P 1 =1atm=105Pa，P 2 =1Pa-10Pa。
由（10）、（11）式，有：
V 2 =（104~105）V 1 （12）
r2=（21~46）r1（13）
引入时间参数，实验表明，充分发泡时间为30s，发泡时间在5s-25s时，其半径变化率η与时间的关系为：
η=0.5+t/60（14）
结合（12）、（13）、（14）式，则：
r2=（21~46）（0.5+t/60）r1（15）
V 2 =（104~105）(0.5+t/60)3 V 1 （16）
K=（104~105）(0.5+t/60)3 V 1 /[（104~105）(0.5+t/60)3 V 1 +V 3 ]（17）
（15）式为泡沫钢的孔径控制模型，（17）式为泡沫钢的孔隙率控制模型。
本发明具备的优点及积极效果：
本发明以SiC为增粘剂对钢熔体进行增粘处理，采用在SiC增粘的钢熔体中添加少量Cr2N，通过搅拌分散Cr2N以及Cr2N分解产生的气体，从而在钢熔体中产生分布均匀、数量众多、细小的初始气孔，然后在真空中发泡制备泡沫钢。可通过对产生的初始气孔的分布、数量、大小及真空度、发泡时间等的控制，从而对泡沫钢的孔隙率及孔结构进行控制，能在短时间内制备出性能优异的泡沫钢。本发明具有高效率、工艺简单、孔结构可控、工艺稳定等特点，能实现工业化生产。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
（1）将碳含量为0.45%、熔点为1530～1480℃的碳钢加热到1560℃，并保温2h；
（2）先将SiC加热至1500℃并保温3h，再向步骤（1）保温后的熔化钢中加入钢体积15%的SiC（粒度为10μm），然后在搅拌速度为2500r/min下进行搅拌增粘8min；
（3）向步骤（2）增粘后的钢熔体中按钢质量的0.1%添加Cr2N（粒度为20μm），然后在搅拌速率为1500r/min下进行搅拌5min，使钢熔体中产生分布均匀、数量众多、孔径为0.08～0.18mm的初始气孔；
（4）将步骤（3）所得熔体加盖密封并抽真空，在真空度为5Pa下进行真空发泡10s；
（5）将步骤（4）真空发泡后的泡沫钢熔体在真空条件下冷却凝固，最终得到孔隙率为85%、孔径为2.5～5mm的泡沫钢。
实施例2
（1）将碳含量为0.20%、熔点为1530～1480℃的碳钢加热到1580℃，并保温2h；
（2）先将SiC加热至1500℃并保温3h，再向步骤（1）保温后的熔化钢中加入钢体积13%的SiC（粒度为10μm），然后在搅拌速度为2000r/min下进行搅拌增粘10min；
（3）向步骤（2）增粘后的钢熔体中按钢质量的0.15%添加Cr2N（粒度为20μm），然后在搅拌速率为2000r/min下进行搅拌6min，使钢熔体中产生分布均匀、数量众多、孔径为0.05～0.13mm的初始气孔；
（4）将步骤（3）所得熔体加盖密封并抽真空，在真空度为1Pa下进行真空发泡25s；
（5）将步骤（4）真空发泡后的泡沫钢熔体在真空条件下冷却凝固，最终得到孔隙率为75%、孔径为0.5～2.5mm的泡沫钢。
实施例3
（1）将碳含量为0.77%、熔点为1530～1480℃的共析碳钢加热到1530℃，并保温2h；
（2）先将SiC加热至1500℃并保温3h，再向步骤（1）保温后的熔化钢中加入钢体积10%的SiC（粒度为10μm），然后在搅拌速度为1500r/min下进行搅拌增粘15min；
（3）向步骤（2）增粘后的钢熔体中按钢质量的0.05%添加Cr2N（粒度为20μm），然后在搅拌速率为2500r/min下进行搅拌8min，使钢熔体中产生分布均匀、数量众多、孔径为0.03～0.11mm的初始气孔；
（4）将步骤（3）所得熔体加盖密封并抽真空，在真空度为10Pa下进行真空发泡5s；
（5）将步骤（4）真空发泡后的泡沫钢熔体在真空条件下冷却凝固，最终得到孔隙率为70%、孔径为0.5～1.5mm的共析泡沫钢。

Claims (1)

1.一种泡沫钢的真空发泡制备方法，其特征在于经过下列各步骤：
（1）将钢加热到1580～1530℃，并保温2h；钢是碳含量为0.20～0.77%的碳钢，其熔点为1530～1480℃，熔化温度为1580～1530℃；
（2）向步骤（1）保温后的熔化钢中加入钢体积10～15%的增粘剂，然后以1500～2500r/min的速度进行搅拌增粘8～15min；增粘剂是粒度为10μm的SiC，增粘剂先进预处理，即加热至1500℃，并保温3h；
（3）向步骤（2）增粘后的钢熔体中按钢质量的0.05～0.15%添加粒度为20μm的Cr2N，然后以1500～2500r/min的速度进行搅拌5～8min；
（4）将步骤（3）所得熔体加盖密封并抽真空，在真空度为1～10Pa下进行真空发泡5～25s；
（5）将步骤（4）真空发泡后的泡沫钢熔体在真空条件下冷却凝固，最终得到孔隙率为70～85%、孔径为0.5～5mm的泡沫钢。
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