CN111979472B - 一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，属于材料制备技术领域。本发明首先是在高压氮气氛中熔化钢材得到钢熔体；由于氮气在奥氏体γ和铁素体α中存在溶解度差，通过控制冷却速度，使氮气在奥氏体γ向铁素体α转变过程中析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料。本发明制备的钢基多孔材料，气孔呈球状，孔径为微纳米级，气孔分布均匀，并可以通过控制工作气压，实现气孔尺寸在(100nm～10μm)范围内的可调。

Description

一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法

技术领域

本发明涉及一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

钢基多孔材料是一种应用广泛的金属材料，相对于泡沫铝、镁等低熔点多孔金属来说，钢基多孔材料具有更突出的优点，例如：低导电性、高隔热性能、高隔音性能、高阻尼、吸能减震性，而且还具有比低熔点多孔金属高的强度、吸能缓冲性和耐高温性。因而，钢基多孔材料在航空航天、舰船、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。目前钢基多孔材料的制备主要有粉末冶金法、熔体发泡法和固体-气体共晶凝固法。

粉末冶金法：利用金属粉末作原料,通过烧结的方法,将金属烧结成具有一定强度和一定孔隙率的金属体的一种方法。该方法与其他方法比较优点是对设备的要求不高,烧结温度低,而且烧结温度、时间和气氛可以控制,在烧结体中加入的发泡剂在室温下就可以与金属粉末混匀,而且制备的多孔泡沫材料具有孔洞细小、均匀、连通的特点。但是在没有批量的情况下要考虑零件的大小；粉末冶金法的模具费用相对来说要高出铸造模具。该方法制备的钢基多孔材料孔径范围一般为10μm～300μm。

熔体发泡法：所谓熔体发泡法,即在熔融工业纯铝中加入增粘剂、发泡剂搅拌发泡,由于熔体具有一定黏度能够保留气体,发泡体冷却后即得到多孔试样。采用这种方法工艺操作难度较大,产品中的气泡均匀性及大小不容易控制。熔体发泡法制备的多孔材料孔径范围为500μm～5.5mm或更大。

固体-气体共晶凝固法：在高压气氛中熔化金属或合金，高压下熔体中会溶解大量气体，在随后的凝固过程中，由于气体在液固两相中存在溶解度差，控制工艺参数使固相和气相稳定协同生长，最后得到定向排列的圆柱形气孔。由于钢基材料的导热性能比较差，采用区域熔炼的方式制备藕状多孔钢基材料，所得的气孔孔径为10μm～10mm，气孔有明显的方向性。

因此，传统方法制备钢基多孔材料，气孔尺寸在10μm～10mm之间，难以制备出微纳米级气孔的钢基材料。

发明内容

本发明针对现有技术中微纳米级气孔的钢基材料难以制备的问题，提供一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，本发明基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中，使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料。

一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，具体步骤如下：

(1)在高压氮气氛中熔化钢材得到钢熔体，使氮气在钢熔体中充分溶解；

(2)控制冷却速度，基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料。

所述步骤(1)高压氮气氛为氮气或氮-氩混合气体，高压氮气氛的压强为0～2.5MPa且不包含0MPa，通过调节氮气分压可以调控气孔尺寸。

所述步骤(2)冷却速率为10～100K/min。

钢基多孔材料，孔为非定向孔，孔为球体结构，孔径为微纳米级。

进一步的，所述孔径为100nm～10μm。

所述钢材熔化设备为高压区域熔炼炉或高压感应熔炼炉。

基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的原理：奥氏体中的氮溶解度大于铁素体，通过控制冷却速度，实现在奥氏体向铁素体的转变过程中过饱和氮的析出，形成不定向的均匀微纳米级气孔，制备出球型孔的钢基多孔材料；钢基材料只要满足在冷却过程中发生γ→α转变，便可利用本发明方法制备钢基多孔材料。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料；

(2)本发明控制冷却速度为10～100K/min，以实现奥氏体γ向铁素体α转变并避免液-固转变时定向孔的生成；

(3)本发明钢基多孔材料，孔为非定向孔，孔为球体结构，孔径为微纳米级，气孔分布均匀，可通过调节氮气分压实现气孔孔径在100nm～10μm间调控。

附图说明

图1为基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的原理图；

图2为实施例1和2钢基多孔材料制备的装置示意图；

图3为实施例3钢基多孔材料制备的装置示意图；

图4为实施例1钢基多孔材料的金相显微图；

图5为实施例2钢基多孔材料的金相显微图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的原理图见图1，由图1可知，氮在奥氏体(γ)和铁素体(α)之间存在着较大的溶解度差(ΔC)，通过控制冷却速度，可避免由液-固相溶解度差引起的定向孔的生成，使过饱和氮在奥氏体向铁素体转变时析出，得到微纳米级钢基多孔材料。

实施例1和2钢基多孔材料制备的装置示意图见图2，装置包括炉体和感应加热线圈，炉体为空心圆柱体，材质为耐高压、耐高温的结构钢材料，优选奥氏体不锈钢；炉体的炉壁内设置有水循环管路，循环管路中通入冷却水为炉体散热，炉盖内部设置有水循环冷却管路；感应加热线圈内部设置有冷却水循环管路，实验时通入冷却循环水确保所述线圈的正常工作环境；实施例3的钢基多孔材料制备的装置为定向凝固装置(见图3)。

实施例1：一种基于固态相变中氮析出制备钢基(纯铁)多孔材料的方法，具体步骤如下：

(1)打开水泵确保冷却水压约为0.2MPa，打开气动开关升起炉盖，用蘸有酒精的棉花顺时针擦拭密封胶圈和炉体；

(2)将尺寸为Φ10×300mm的棒状材料表面打磨干净，采用无水乙醇清洗，烘干后从感应线圈中穿过并固定在炉体内；

(3)关闭所有进气阀和出气阀，启动真空泵和机械泵，打开高压阀，抽真空至炉内的真空度约为0.05MPa，转动并锁紧炉盖，继续抽真空至炉内真空度不高于10^-3Pa；

(4)打开氮气瓶开关、分流计和进气阀，充入纯度为99.99％的氮气，当气压高于设定气压0.4MPa时关闭进气阀和气瓶开关，当炉内气压稳定在0.4MPa时，通过控制面板打开伺服上电，设定牵引速率为0.5mm/min；

(5)打开高频感应电源，顺时针调节功率调节钮，缓慢增加功率，升高温度使穿过感应线圈的纯铁棒材慢慢熔化，并在电磁力和试样支撑的作用下在感应线圈内保持悬浮状态，形成一个高度约为5～10mm的熔区；使纯铁棒材在高压氮气氛中熔化钢材得到熔体，熔体在熔融状态下保温10min；

(6)启动牵引装置，带动棒材竖直向下移动，以10K/min的速度冷却加热区，基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到多孔纯铁材料；

本实施例钢基多孔材料经线切割、砂纸打磨、机械抛光后得到金相显微镜下气孔形貌见图4，从图4可知，在0.4MPa下制备出的试样气孔分布均匀，气孔为球型结构，高倍下观察到气孔直径为2～3μm，这是因为固相中孔的析出不仅要克服外界工作气体气压，还需克服固相中的机械压力和自身半径引起的毛细压力，由于在固相中析出气孔所需克服压力很大，所以气孔很大长大，尺寸为2～3μm。

实施例2：一种基于固态相变中氮析出制备钢基(纯铁)多孔材料的方法，具体步骤如下：

(1)打开水泵确保冷却水压约为0.2MPa，打开气动开关升起炉盖，用蘸有酒精的棉花顺时针擦拭密封胶圈和炉体；

(2)将尺寸为Φ10×300mm的棒状材料表面打磨干净，采用无水乙醇清洗，烘干后从感应线圈中穿过并固定在炉体内；

(3)闭所有进气阀和出气阀，启动真空泵和机械泵，打开高压阀，抽真空至炉内的真空度约为0.05MPa，转动并锁紧炉盖，继续抽真空至炉内真空度不高于10^-3Pa；

(4)打开氮气瓶开关、分流计和进气阀，充入纯度为99.99％的氮气，当气压高于设定气压0.6MPa时关闭进气阀和气瓶开关，当炉内气压稳定在0.6MPa时，通过控制面板打开伺服上电，设定牵引速率为0.3mm/min；

(5)打开高频感应电源，顺时针调节功率调节钮，缓慢增加功率，升高温度使穿过感应线圈的纯铁棒材慢慢熔化，并在电磁力和试样支撑的作用下在感应线圈内保持悬浮状态，形成一个高度约为5～10mm的熔区；使纯铁棒材在高压氮气氛中熔化钢材得到熔体，熔体在熔融状态下保温15min；

(6)启动牵引装置，带动棒材竖直向下移动，以20K/min的速度冷却加热区，基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料；

本实施例钢基多孔材料经线切割、砂纸打磨、机械抛光后得到金相显微镜下气孔形貌见图5，从图5可知，(0.6MPa下的气孔尺寸更小(0.2～0.5μm)，气孔数目更多，气孔分布更加均匀)，这是因为在外界工作气压的而影响下，气孔形核后生长所需克服的压力主要为自身的曲率半径引起的毛细压力，又因为氮在纯铁中的溶解度和氮气压力的平方根成正比，所以在0.6MPa下，奥氏体和铁素体中的氮溶解度差会更大，就会有更多的氮气泡析出，由于所需克服的毛细压力太大，气泡在形核后也很难长大，尺寸在0.2～0.5μm之间。

实施例3：一种基于固态相变中氮析出制备钢基(纯铁)多孔材料的方法，具体步骤如下：

(1)打开装置电源，启动循环水冷系统，打开炉体与真空系统间的隔离阀，将纯铁放入熔炼坩埚，盖紧炉盖，初步锁紧炉体；

(2)启动机械泵，打开真空计，当气压达到10²Pa后，进一步锁紧炉盖，继续抽真空至10Pa后，打开罗茨泵和高真空阀抽真空至10^-2Pa；

(3)当炉体内真空度达到10^-2Pa后，打开上铸型和下铸型加热电源；

(4)当上、下铸型温度达到实验设定温度后，开启熔炼电源进行熔炼，低温时缓慢加热，高温时提高加热功率使金属熔化并过热至预设温度；

(5)当金属熔化并达到给定过热度后，关闭真空系统、隔离阀和真空计后，打开进气阀，充入N₂-Ar混合气体至氮气分压为0.8MPa；

(6)使纯铁材料在高压氮气氛(氮气分压为0.8MPa)中熔化得到熔体，熔体在熔融状态下保温20min；

(7)以50K/min的速度冷却，基于氮气在奥氏体γ和铁素体α存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到多孔纯铁材料；

本发明基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法制备其它钢基材料的方法与制备纯铁多孔材料的方法相同。

基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，由于足够慢的冷却速度，制备出的多孔金属气孔为球型孔，气孔孔径和气孔分布均匀，并且随着氮气压力的增加，气孔直径会变小，气孔分布更加均匀。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (3)

1.一种基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：

（1）在高压氮气气氛中熔化钢材得到钢熔体，使氮气充分溶解在钢熔体中；其中高压氮气气氛为高压氮气或氮-氩气混合气氛高压氮气氛的压强为0~2.5MPa且不包含0MPa；

（2）控制冷却速度，基于氮气在奥氏体γ和铁素体α中存在溶解度差，在奥氏体γ向铁素体α转变过程中使过饱和氮气析出形成微纳米级气孔，得到钢基多孔材料，其中冷却速度为10~100K/min。

2.权利要求1所述基于固态相变中氮析出制备钢基多孔材料的方法制备的钢基多孔材料，其特征在于：孔为非定向孔，孔为球体结构，孔径为微纳米级。

3.根据权利要求2所述钢基多孔材料，其特征在于：孔径为100nm~10μm。

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