CN107855534A - 一种三明治烧结法制备轻质异型钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三明治烧结法制备轻质异形钢的方法，通过采用配置好异型钢粉末、粘结剂、造孔剂与作为中间层的钢板进行轧制成型，然后经过干燥去除干燥剂后采用电磁场下烧结法进行烧结成型，然后在谁溶液溶解造孔剂从而获得所需泡沫钢。首先采用三明治轧制法的中间层为钢板可以显著改善泡沫钢产品整体的强度和韧性。采用粉末中施加了稀土元素Ce等可以显著提高泡沫钢成品的强度。在烧结的过程中，施加了外加磁场和电场，可以显著提高粉末中元素的扩散作用，可以增加泡沫钢的密度，增加其强度，从而获得力学性能优良的轻质异型钢。本发明操作简单,成本低廉，可连续制备，成材率高，可制备出力学性能优良的轻质异型钢。属于冶金技术与材料科学领域。

Description

一种三明治烧结法制备轻质异型钢的方法

技术领域

本发明涉及一种制备轻质异型钢的方法。属于冶金技术与材料科学领域。

背景技术

异型钢广泛用于建筑、隧道、桥梁等领域，市场应用前景非常好。目前，在建筑、隧道、桥梁等领域采用的异型钢都是采用实心的钢材料。但是，钢的自身密度大，造成自身的重量比较重，因而显著减小了其载荷。泡沫钢是一种新型的结构与功能一体化的材料，具有密度低、通透性好、比表面积大、机械强度高、冲击能量吸收效率优良等诸多特性，使得泡沫钢是制造轻质轴承、过滤元件、吸能减震器等的理想材料，因而也用在建筑领域。目前，采用传统制备制备方法如溶体发泡、烧结、电镀等方法获得的泡沫钢往往存在强度低、成本高、不能连续生产等缺陷限制了泡沫钢的广泛应用。因此，开发异种廉价高效的建筑用异形钢的制备方法仍然是亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种三明治烧结法制备轻质异型钢的方法，首先，采用粉末轧制-烧结法制备泡沫钢的原理配置好钢粉末，采用高强度钢板为中间层的三明治轧制法进行烧结处理，其中高强度钢板作为中间层可以显著提升泡沫钢的韧性及强度，烧结后对泡沫钢产品进行造孔剂溶解处理，减轻异型钢重量，可实现长尺寸、连续操作，操作简单，因而可以大幅度降低制备成本。

为达到上述目的，将通入含有一定稀土元素加入到钢粉末中，并加入粘结剂和造孔剂进行均匀混合后得到复合钢粉末，采用高强度钢板为中间层，钢板两面为钢复合钢粉末，进行轧制成型，然后，蒸发掉粘结剂，进行磁场与电场复合作用下烧结成型处理，烧结过程完成后放入沸水溶液中溶解掉造孔剂，从而获得具有优异力学性能的轻质异型钢。将造孔剂加入到烧结粉末中，经过烧结-溶解处理后，可以显著降低异型钢的自身重量，也节约了钢用量。在复合钢粉末中含有稀土元素Ce等时为了可以与粉末中氧、硫等杂志元素反应，对夹杂物起到改性的作用，同时稀土元素在晶界处的偏聚可以降低晶粒尺寸，从而增加异形泡沫钢的强度。在烧结过程中施加磁场一方面可以加速元素之间的扩散作用，另一方面可以形成一定的取向织构，增大异形泡沫钢的力学性能，同时，在烧结过程中施加了电场，由于电场与磁场的交互作用产生的“电子风效应”，可以进一步增加各种元素的扩散作用，从而增加钢的强度，从而获得力学性能优良的轻质异形钢。

基于上述构思，拟采用这样一种三明治烧结法制备轻质建筑用钢的方法，包括如下步骤：

(1)混料过程；配置好粉末组分，包含钢粉末、0.001wt％-5wt％的稀土元素、酒精粘结剂、体积分数为0.1％-90％的CaCl造孔剂，然后采用混料机进行均匀混合；

(2)压坯过程：以高强度钢板为中间层，采用三明治法对混合粉料进行双向压制，压坯压强为200-700MPa，压坯时间为1-30min。首先，混合粉料颗粒加入已经与底座组装好的模腔之中，然后采用超声波振荡均匀铺展开，然后加入高强度钢板，再在上层加上与钢板下层同等质量的混合钢粉末，然后在液压机的载物台上沿着轴向进行双向加压。加压时控制好压制压力和保压时间，加压完成后进行脱模工作；

(3)干燥过程，由于在混料的过程中添加了粘结剂，为了防止粘结剂在烧结过程对钢坯的有害作用，需要蒸发掉粘结剂。将压坯好的钢坯料加入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80-120℃，完全蒸发掉粘结剂；

(4)烧结过程，将干燥后的坯料加入到经干燥烘干后放入带惰性气体(氩气、氮气或者混合气体)，或为还原气体(一氧化碳、氢气、氨气、甲烷)或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行烧结扩散处理,在烧结过程中施加外加磁场和电场，加速元素之间的扩散作用，施加的磁场强度为0.001～40T，施加的电场强度及电流密度为0.1-1000A/dm2；

(5)溶解过程，将烧结成型后的钢样进行造孔剂溶解处理，由于造孔剂溶解于水，可以将钢样加入沸水溶液中将钢样中的造孔剂完全出去，在溶解过程中，施加了超声波装置，可以显著加快造孔剂的溶解速度。

前述方法中，钢混料中加入占总质量的0.01～5wt％的稀土元素，不仅可以与钢粉末与氧、硫非金属夹杂物结合进行了变形处理，改善异型钢的强度，同时还可以起到细晶强化的作用，显著增加钢的力学性能；

前述方法中，施加的磁场可以为钕铁硼永磁体组装好产生一定方向的磁体，也可以为电磁铁产生的磁场，还可以为bitter磁体产生的磁场，可以为超导体产生的磁场，也可以为bitter磁体和超导体混合使用磁体产生的磁场。磁场强度范围为0.001-40T；

前述方法中，施加的电场可以为直流电源产生的磁场，也可以占空比和频率可调的脉冲电源，也可以为占空比、频率和周期可反向的直流电源。

前述方法中，施加的干燥箱可以为真空干燥箱，也可以为鼓风干燥箱。

本发明还提供一种三明治烧结法制备轻质建筑用钢的装置，应用于上述方法，包括钢卷、混料机、液压模、超声装置、液压机、压坯料传送辊、干燥箱、干燥坯传送辊、烧结炉、加热装置、绝热材料、水冷装置、磁场发生器、热电偶、控温仪、电极、电源装置、烧结钢传送辊、水浴池、水、超声探头、水浴加热器。

前述装置中，所述液压机装置，装有超声波装置，在填充钢混合粉时，可以进行超声波分散，让钢粉均匀铺散开，然后加入高强度钢卷铺上，再用钢混合粉铺均匀散开，然后进行压坯过程。施加的中间层高强度钢板可以显著提升最终获得异形泡沫钢的强度和韧性；

前述装置中，所属烧结炉装置，外围从内往外包含加热装置、绝热材料、水冷装置、磁场发生器等，同时，在烧结炉两端还包含电极装置，电极装置接通电源装置。在烧结的过程提供一定强度的磁场和电场，磁场和电场的施加可以显著加速元素间的扩散作用，增加烧结密度，最终增加获得异形泡沫钢的强度。

与现有技术相比，本发明的优势如下：

1)采用三明治轧制法的中间层为钢板可以显著改善泡沫钢产品整体的强度和韧性。

2)采用粉末中施加了稀土元素Ce等可以与钢粉料中的氧、硫等非金属夹杂物反应，对夹杂物起到变形作用，可以显著提高泡沫钢成品的强度，同时稀土元素在晶届处偏聚，可以起到细晶强化的作用，进一步提高钢产品的力学性能；

3)在烧结的过程中施加了磁场，可以显著提高粉末中元素的扩散作用，可以增加泡沫钢的密度，增加其强度；

4)施加了外加电场，同时可以与磁场交互作用，从而形成所谓的“电子风效应”，可以进一步显著提高粉末中元素的扩散作用，可以增加泡沫钢的密度，增加其强度；

5)本方法操作简单，能耗低，能进行大规模连续操作，显著降低生产成本。

附图说明

图1是本发明所述一种三明治烧结法制备轻质异形钢的实施装置简图；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将通过附图对发明作进一步地详细描述。

实施例：

参见图1，本实施例提供一种三明治烧结法制备轻质异型钢的实施装置简图；包含钢卷(1)、混料机(2)、液压模(3)、液压机(4)、超声装置(5)、压坯料传送辊(6)、干燥箱(7)、干燥坯传送辊(8)、烧结炉(9)、加热装置(10)、绝热材料(11)、水冷装置(12)、磁场发生器(13)、热电偶(14)、控温仪(15)、电极(16)、电源装置(17)、烧结钢传送辊(18)、水浴池(19)、水(20)、超声探头(21)、水浴加热器(31)。

利用上述装置制备一种三明治烧结法制备轻质异型钢的方法如下：

(1)混料过程；配置好粉末组分，包含钢粉末、0.001wt％-5wt％的稀土元素、酒精粘结剂、体积分数为0.1％-90％的CaCl造孔剂，然后采用混料机进行均匀混合；

(2)压坯过程：以高强度钢板为中间层，采用三明治法对混合粉料进行双向压制，压坯压强为200-700MPa，压坯时间为1-30min。首先，混合粉料颗粒加入已经与底座组装好的模腔之中，然后采用超声波振荡均匀铺展开，然后加入高强度钢板，再在上层加上与钢板下层同等质量的混合钢粉末，然后在液压机的载物台上沿着轴向进行双向加压。加压时控制好压制压力和保压时间，加压完成后进行脱模工作；

(3)干燥过程，由于在混料的过程中添加了粘结剂，为了防止粘结剂在烧结过程对钢坯的有害作用，需要蒸发掉粘结剂。将压坯好的钢坯料加入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80-120℃，完全蒸发掉粘结剂；

(4)烧结过程，将干燥后的坯料加入到经干燥烘干后放入带惰性气体(氩气、氮气或者混合气体)，或为还原气体(一氧化碳、氢气、氨气、甲烷)或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行烧结扩散处理,在烧结过程中施加外加磁场和电场，加速元素之间的扩散作用，施加的磁场强度为0.001～40T，施加的电场强度及电流密度为0.1-1000A/dm2；

(5)溶解过程，将烧结成型后的钢样进行造孔剂溶解处理，由于造孔剂溶解于水，可以将钢样加入沸水溶液中将钢样中的造孔剂完全出去，在溶解过程中，施加了超声波装置，可以显著加快造孔剂的溶解速度。

其具体过程为：将50kg的316不锈钢粉和0.5kg的稀土Ce，5kg无水乙醇加入20kgCaCl₂加入到混料机(2)中，进行充分混合，然后采用3mm厚度的 316不锈钢板(22)进行液压机(4)压成14号工字钢坯料(23)，采用压坯料传送辊(6)传送到干燥箱(7)中，获得干燥钢坯样(24)，然后再烧结炉(9) 中，采用控温仪加热到1200℃±25℃，同时打开磁场发生器(13)和电源装置(17)，磁场强度2T，磁场方向(25)为竖直向上，电流强度为300A/dm2，烧结时间为 100min，然后将烧结钢(26)采用烧结钢坯传送辊(18)传送在水浴池(19)中，并打开超声探头(21)，对烧结钢进行造孔剂溶解处理得到异形泡沫钢(27)，异形泡沫钢(27)包含中间层高强度钢板(28)、孔洞(29)和钢烧结基体(30)。从而得到轻质异型钢，孔隙率为46％，其抗拉强度可以达到202MPa以上。

Claims (4)

1.一种三明治烧结法制备轻质异型钢的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)混料过程；配置好粉末组分，包含钢粉末、0.001wt%-5wt%的稀土元素、酒精粘结剂、体积分数为0.1%-90%的CaCl造孔剂，然后采用混料机进行均匀混合；

(2)压坯过程：以高强度钢板为中间层，采用三明治法对混合粉料进行双向压制，压坯压强为200-700MPa，压坯时间为1-30min。

2.首先，混合粉料颗粒加入已经与底座组装好的模腔之中，然后采用超声波振荡均匀铺展开，然后加入高强度钢板，再在上层加上与钢板下层同等质量的混合钢粉末，然后在液压机的载物台上沿着轴向进行双向加压。

3.加压时控制好压制压力和保压时间，加压完成后进行脱模工作；

(3)干燥过程，由于在混料的过程中添加了粘结剂，为了防止粘结剂在烧结过程对钢坯的有害作用，需要蒸发掉粘结剂。

4.将压坯好的钢坯料加入干燥箱中进行干燥处理，干燥温度为80-120℃，完全蒸发掉粘结剂；

(4)烧结过程，将干燥后的坯料加入到经干燥烘干后放入带惰性气体，或为还原气体或者为惰性气体与还原气体混合气保护的管状电炉中进行烧结扩散处理,在烧结过程中施加外加磁场和电场，加速元素之间的扩散作用，施加的磁场强度为0.001～40T，施加的电场强度及电流密度为0.1-1000A/dm2；

(5)溶解过程，将烧结成型后的钢样进行造孔剂溶解处理，由于造孔剂溶解于水，可以将钢样加入沸水溶液中将钢样中的造孔剂完全出去，在溶解过程中，施加了超声波装置，可以显著加快造孔剂的溶解速度。