CN112941401A - 基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法，其是在氢气或氮气气氛中进行感应悬浮区域熔炼，获得气孔沿着凝固方向定向排列的钢基规则多孔材料；该方法利用氢气或氮气在液态和固态金属中的溶解度差，通感应悬浮区域熔炼，获得具有规则气孔结构的钢基多孔材料；本方法适用于高熔点多孔金属的制备，在制备过程中不会引进杂质，且方法简单易操作，成本低，制得的规则多孔钢基材料可应用于大分子过滤器、催化剂载体和轻质材料等方面。
Description
技术领域
本发明涉及一种在钢基材料中获得规则多孔结构的方法，属于金属材料制备领域。
背景技术
多孔金属材料在轻质材料、吸声材料、大分子过滤器、催化剂载体、热沉等方面具有广阔的应用空间而受到广泛关注。熔体法是制备多孔金属材料的重要方法，包括吹气发泡法、渗流铸造法、熔模铸造法等。但是这些制备方法绝大部分只适用于低熔点的有色金属，对于高熔点金属，例如钢基材料，由于目前还没有合适的发泡剂或者工艺难以控制等原因，还无法得到规则、均匀的孔隙结构。
金属/气体共晶定向凝固是近年来发展起来的制备规则多孔材料的新工艺。其原理是在高压气体压力下熔炼金属，使气体溶入金属熔体中达到饱和，然后将气体饱和熔体浇入铸型定向凝固。由于气体在液、固两相中存在很大的溶解度差，凝固过程中过饱和气体析出形成气泡，并与金属定向共生，获得圆柱状气孔沿凝固方向规则排列的多孔结构。由于该类材料的气孔结构类似藕根，又称藕状多孔材料。通过控制气体压力和凝固速度等工艺参数，可以实现对多孔金属气孔结构（孔隙率、气孔直径等）的有效控制。模铸法是最常用的金属气体定向凝固工艺，目前人们已经成功制备了铜、镁、硅等多种多孔材料；但是模铸法只适用于热导率高的金属材料（如铜、镁等），对于热导率差的金属材料，如铁、碳钢、不锈钢等，由于随着凝固高度的增加，凝固速度降低，这会导致气孔粗化严重，难以制备出规则的气孔结构。
发明内容
本发明针对模铸法制备钢铁多孔材料存在的气孔规则性差、分布不均匀的问题，利用氢气（或氮气）在钢基材料中的溶解度差异，在高压氢气（或氮气等）下进行感应悬浮区域熔炼，使过饱和的氢气（或氮气等）从液态金属中析出形成气泡并沿着凝固方向长大形成气孔，最终在钢基材料中获得规则多孔结构。由于区熔过程中的凝固速度大体上等于抽拉速度，只要保持抽拉速度恒定，就能够解决模铸法中气孔粗化和不均匀的问题。
本发明基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法如下：
（1）将钢基棒料装夹在真空感应区域熔炼炉的样品架上，并将钢基棒料向上移动至钢基棒料底端距水冷铜管圈25~30mm处，锁紧真空感应区域熔炼炉炉盖，开启真空泵抽真空，使炉内压力＜1.0Pa；然后充入1×103Pa~2.5×106Pa的氢气或氮气；
（2）打开冷却装置通入循环冷环水，打开高频感应线圈的加热电源，启动牵引装置带动钢基棒料竖直向下移动，使钢基棒料从下至上依次通过高频感应线圈和高频感应线圈下方的水冷铜管圈，加热的高频感应线圈对线圈感应区域的金属进行熔化和悬浮，使氢气或氮气溶解进入金属熔体中，水冷铜管圈使金属熔体沿轴向凝固，氢气或氮气以气泡方式析出，进而在钢基棒料中获得气孔沿凝固方向定向分布的规则多孔结构。
所述钢基棒料直径Φ为6~20mm，在钢基多孔材料的制备过程，牵引装置带动样品架沿竖直方向上下移动，钢基棒料的移动速度为1~100mm/min。
所述氢气或氮气的纯度为99.99%。
本发明的优点和技术效果：
1、传统方法绝大部分只适用于低熔点的有色金属，感应悬浮区熔可以有效制备高熔点多孔金属；
2、感应悬浮区熔具有提纯金属的功能，因此制备多孔金属时不会引进杂质；
3、感应悬浮区熔无需使用坩埚等器皿，而是利用感应线圈是金属悬浮而不掉落，节约成本且便于操作；
4、感应悬浮区熔可以使金属定向凝固，因此可以使钢基材料获得规则的多孔结构。
附图说明
图1是本发明使用的真空感应区域熔炼炉结构示意图；
图2是实施例1制得的规则多孔纯铁试样，(a)为试样横截面，(b)为试样纵截面；
图中：1-上炉盖；2-钢基棒料；3-高频感应线圈；4-水冷铜管圈；5-钢基多孔材料；6-样品架；7-下拉装置；8-下炉盖；9-下锁紧圈；10-炉体；11-上锁紧圈；12-充气通道；13-压力表；14-排气通道。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围并不限于此。
下述实施例中使用的真空感应区域熔炼炉如图1所示，真空感应区域熔炼炉包括上炉盖1、钢基棒料2、高频感应线圈3、水冷铜管圈4、钢基多孔材料5、样品架6、下拉装置7、下炉盖8、下锁紧圈9、炉体10、上锁紧圈11、充气通道12、压力表13、排气通道14；上炉盖1、下炉盖8分别通过上锁紧圈11、下锁紧圈9固定在炉体10的顶端、底端，上炉盖1上设置有充气通道12、排气通道14，充气通道12上设置有压力表13；样品架6设置在炉体10内，样品架6包括固定支架、能沿固定支架上下移动的滑动架，将钢基棒料通过螺栓装夹在滑动架上，高频感应线圈3固定在炉体10内并位于滑动架下方，水冷铜管圈4固定在炉体10内并位于高频感应线圈3下方，水冷铜管圈4与冷却装置连通，下拉装置7与钢基棒料2连接；钢基棒料从下至上依次通过高频感应线圈和高频感应线圈下方的水冷铜管圈制得钢基多孔材料5。
实施例1
（1）将尺寸为Φ8×300mm的圆柱形纯铁试棒装夹在真空感应区域熔炼炉的样品架6上，并将试棒向上移动至试棒底端距水冷铜管圈30mm处，锁紧真空感应区域熔炼炉的上炉盖1，开启真空泵从排气通道14抽真空，使炉内压力＜1.0Pa；然后从充气通道12充入纯度99.99%的氮气，使炉内氮气压力为2×105Pa；
（2）打开冷却装置通入循环冷环水，打开高频感应线圈的加热电源加热高频感应线圈，启动牵引装置带动纯铁试棒竖直向下移动，控制牵引速度为30mm/min，使纯铁试棒从下至上依次通过高频感应线圈和高频感应线圈下方的水冷铜管圈，加热的高频感应线圈对线圈感应区域的纯铁进行熔化和悬浮，使氮气溶解进入纯铁熔体中，水冷铜管圈使纯铁熔体沿轴向凝固，氮气以气泡方式析出，进而在纯铁试棒中获得沿轴向分布的规则多孔结构；
（3）待试棒移动至试棒最上端距高频感应线圈约30mm时，依次关闭高频感应线圈的加热电源和牵引装置；等炉内温度降低至室温时，关闭循环水冷却装置，打开高频感应区域熔炼炉的排气通道14，排尽炉内的氮气后，打开上炉盖，取出试样，获得纯铁多孔材料，如图2，利用阿基米德排水法进行纯铁多孔材料的气孔率检测，气孔率达到32%。
实施例2
（1）将尺寸为Φ8×300mm的圆柱形304不锈钢试棒装夹在真空感应区域熔炼炉的样品架6上，并将试棒向上移动至试棒底端距水冷铜管圈28mm处，锁紧真空感应区域熔炼炉的上炉盖1，开启真空泵从排气通道14抽真空，使炉内压力＜1.0Pa；然后从充气通道12充入纯度99.99%的氢气，使炉内氢气压力为4×105Pa；
（2）打开冷却装置通入循环冷环水，打开高频感应线圈的加热电源加热高频感应线圈，启动牵引装置带动不锈钢试棒竖直向下移动，控制牵引速度为30mm/min，使不锈钢试棒从下至上依次通过高频感应线圈和高频感应线圈下方的水冷铜管圈，加热的高频感应线圈对线圈感应区域的不锈钢进行熔化和悬浮，使氢气溶解进入不锈钢熔体中，水冷铜管圈使不锈钢熔体沿轴向凝固，氢气以气泡方式析出，进而在不锈钢中获得沿轴向分布的规则多孔结构；
（3）待试棒移动至试棒最上端距高频感应线圈28mm时，依次关闭高频感应线圈的加热电源和牵引装置；等炉内温度降低至室温时，关闭循环水冷却装置，打开高频感应区域熔炼炉的排气通道，排尽炉内的氢气后，打开上炉盖，取出试样，获得不锈钢多孔材料，利用阿基米德排水法检测304不锈钢多孔材料的气孔率，气孔率达到28.6%。
Claims (4)
1.一种基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法，其特征在于：在氢气或氮气气氛中进行感应悬浮区域熔炼，获得气孔沿着凝固方向定向排列的钢基规则多孔材料。
2.根据权利要求1的基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）将钢基棒料装夹在真空感应区域熔炼炉的样品架上，并将钢基棒料向上移动至钢基棒料底端距水冷铜管圈25~30mm处，锁紧真空感应区域熔炼炉炉盖，开启真空泵抽真空，使炉内压力＜1.0Pa；然后充入1×103Pa~2.5×106Pa的氢气或氮气；
（2）打开冷却装置通入循环冷环水，打开高频感应线圈的加热电源，启动牵引装置带动钢基棒料竖直向下移动，使钢基棒料从下至上依次通过高频感应线圈和高频感应线圈下方的水冷铜管圈，加热的高频感应线圈对线圈感应区域的金属进行熔化和悬浮，使氢气或氮气溶解进入金属熔体中，水冷铜管圈使金属熔体沿轴向凝固，氢气或氮气以气泡方式析出，进而在钢基棒料中获得气孔沿凝固方向定向分布的规则多孔结构。
3.根据权利要求2的基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法，其特征在于：钢基棒料直径为6~20mm，钢基棒料的移动速度为1~100mm/min。
4.根据权利要求2的基于感应悬浮区熔的钢基藕状多孔材料的制备方法，其特征在于：氢气或氮气的纯度为99.99%。
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