CN113930636A - 泡沫钢材制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泡沫钢材制备装置及方法，所述泡沫钢材制备装置包括烧结箱、脉冲电源、正电极和负电极，烧结箱内具有容纳腔，脉冲电源用于提供脉冲电能，正电极与脉冲电源的正极相连，负电极与脉冲电源的负极相连，且正电极的一端至少部分伸入容纳腔内，负电极的一端至少部分伸入容纳腔内。本发明的泡沫钢材制备装置能够提高泡沫钢的强度和应变吸收能。

Description

泡沫钢材制备装置及方法

技术领域

本发明涉及钢材制造技术领域，具体涉及一种泡沫钢材制造装置及方法。

背景技术

泡沫金属具有优异的物理和力学性能。如泡沫钢，其制品的熔点和硬度高，并且可与钢结构共容，并且屈服强度较大，疲劳寿命更长。与传统钢材相比泡沫钢的隔热和绝热性能更佳。

相关技术中制备泡沫钢材的方法主要有粉末冶金法、熔体发泡法、固－气共晶凝固法或渗流法，然而相关技术中的泡沫钢材制造方法生产出的泡沫钢强度和塑性较低，加工性能差。

发明内容

本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

相关技术中公开了一种泡沫钢的制备方法，将钢合金粉和造孔剂混合均匀，然后放入模具中压实制块，脱模后干燥，再将干燥后的块料预烧，继续将条件温度升高并保温，在高温烧结中，合金粉烧结结合，而造孔剂分解挥发去除，烧结完成后随炉冷却至室温，取出即可得到泡沫钢。然而，本申请的发明人研究发现，该相关技术中的泡沫钢制备方法，由于需要将金属粉末压制后再进行烧结，其生产效率低且泡沫钢的强度对压制质量有较高的要求，当压制质量较低时，生产出的泡沫钢强度较低，且加工性能差。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种泡沫钢材制备装置，能够提高泡沫钢的强度和应变吸收能。

本发明实施例还提出了一种泡沫钢材制备方法。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备装置，包括：烧结箱，所述烧结箱内具有容纳腔；脉冲电源，所述脉冲电源用于提供脉冲电能；正电极和负电极，所述正电极与所述脉冲电源的正极相连，所述负电极与所述脉冲电源的负极相连，且所述正电极的一端至少部分伸入所述容纳腔内，所述负电极的一端至少部分伸入所述容纳腔内。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备装置，能够提高泡沫钢的强度和应变吸收能。

在一些实施例中，所述烧结箱的材料为非导电材料。

在一些实施例中，所述脉冲电源的波形为矩形波、弦半波或锯齿波。

在一些实施例中，所述脉冲电源的脉冲频率为1～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，脉冲电源的功率为1～1000KW。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备方法，利用如上述任一项实施例的所述泡沫钢材制备装置，所述泡沫钢材制备方法包括：将所述正电极和所述负电极的一端固定在所述容纳腔内；将多个导电烧结体堆叠在所述容纳腔内，多个所述导电烧结体位于所述正电极和负电极之间，且多个所述导电烧结体中邻近所述正电极的所述导电烧结体与所述正电极相接触，多个所述导电烧结体中邻近所述负电极的所述导电烧结体与负电极相接触；按照预设参数设定所述脉冲电源，且启动所述脉冲电源；当多个所述导电烧结体相互连接后，关闭所述脉冲电源以得到泡沫钢材。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备方法，能够提高泡沫钢的强度和应变吸收能。

在一些实施例中，多个所述导电烧结体的堆叠方式为面心立方、体心立方或密排六方堆叠。

在一些实施例中，多个所述导电烧结体的堆叠高度小于所述容纳腔在上下方向上的尺寸。

在一些实施例中，所述设定参数为脉冲频率为1～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，施加时间为1～50s。

在一些实施例中，所述导电烧结体为的球体、椭球体和圆柱体中的至少一种，所述导电烧结体为空心或实心。

在一些实施例中，所述泡沫钢材制备方法还包括在所述导电烧结体的外表面上涂抹金属粉末或在多个所述导电烧结体之间填充金属粉末。

附图说明

图1是本发明实施例的泡沫钢材制备装置的结构示意图。

附图标记：

烧结箱1，容纳腔101，

脉冲电源2，正电极3，负电极4，导电烧结体5。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备装置包括烧结箱1、脉冲电源2、正电极3和负电极4。

烧结箱1内具有容纳腔101。

具体地，如图1所示，烧结箱1内具有上端开口的容纳腔101。

脉冲电源2用于提供脉冲电能。

需要说明的是，脉冲电源2设在容纳腔101外。

正电极3与脉冲电源2的正极相连，负电极4与脉冲电源2的负极相连，且正电极3的一端至少部分伸入容纳腔101内，负电极4的一端至少部分伸入容纳腔101内。

具体地，如图1所示，正电极3与脉冲电源2的正极相连，负电极4与脉冲电源2的负极相连，正电极3和负电极4的下端呈竖直状伸入容纳腔101内，且正电极3和负电极4固定在容纳腔101内，正电极3和负电极4在左右方向上间隔布置。正电极3、负电极4和烧结箱1的内底面形成了用于盛放导电烧结体5的烧结空间。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备装置，通过设置脉冲电源2、正电极3和负电极4，利用脉冲电能对导电烧结体5进行直接加热，提高升温速度，使导电烧结体5的连接处迅速溶化并彼此连接，并且还可使导电烧结体5受热更加均匀，避免导电烧结体5之间出现漏焊等情况，最终提高泡沫钢的强度和应变吸收能，通过脉冲电能对导电烧结体5进行加热，由于升温较快，因此减小导电烧结体5的施加时间，还可降低能耗，避免导电烧结体5出现氧化和提高泡沫钢的生产效率。

在一些实施例中，烧结箱1的材料为非导电材料。

需要说明的是，烧结箱1的材料为非导电金属氧化物，具体地，烧结箱1的材料可以为氧化铝。可以理解的是，烧结箱1的材料还可以是其他非导电金属氧化物。

本发明实施例的泡沫钢材制备装置，烧结箱1非导电，能够使脉冲电能进入导电烧结体5内，使多个导电烧结体5均能传导电能，从而使导电烧结体5的受热更加均匀，还可提高能源利用率和泡沫钢加工效率。

在一些实施例中，脉冲电源2的波形为矩形波、弦半波或锯齿波。

可以理解的是，脉冲电源2的波形还可以是三角波或阶梯波。需要说明的是，脉冲电源2的波形可以根据导电烧结体5的体积进行选择。

在一些实施例中，脉冲电源2的脉冲频率为1～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，脉冲电源2的功率为1～1000KW。

具体地，脉冲电源2的脉冲频率可以为1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、45Hz、55Hz、60Hz、80Hz、95Hz。脉冲电流可以为50A、200A、500A、1000A、5000A、6000A、7500A、8000A、9000A、10000A、50000A。占空比为10％、15％、17％、18％、19％、20％、40％、45％、60％、70％、85％。脉冲电源2的功率5KW、10KW、20KW、100KW、500KW、650KW、800KW、900KW。

可以理解的是，脉冲电源2的频率、电流、占空比和功率可根据导电烧结体5的体积和材料进行选择。

本发明实施例的泡沫钢材制备装置，根据不同体积和不同材料的导电烧结体5选择不同的脉冲电源2的参数，可以对不同材料不同体积的导电烧结体5进行烧结，提高泡沫钢材制备装置的适用范围。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备方法，利用如上述任一项实施例的泡沫钢材制备装置，泡沫钢材制备方法包括：

将正电极3和负电极4的一端固定在容纳腔101内。

具体地，如图1所示，将正电极3的下端和负电极4的下端插入烧结箱1内，且正电极3和负电极4伸入烧结箱1内的尺寸相同。

将多个导电烧结体5堆叠在容纳腔101内，多个导电烧结体5位于正电极3和负电极4之间，且多个导电烧结体5中邻近正电极3的导电烧结体5与正电极3相接触，多个导电烧结体5中邻近负电极4的导电烧结体5与负电极4相接触。

具体地，如图1所示，将多个导电烧结体5堆叠在正电极3和负电极4之间，多个导电烧结体5依次接触，且多个导电烧结体5中至少部分导电烧结体5与正电极3接触，多个导电烧结体5中至少部分导电烧结体5与负电极4接触，脉冲电流依次通过正电极3、多个导电烧结体5和阴电极形成电流通路，当脉冲电流通过多个导电烧结体5时，导电烧结体5在电流的作用下发生熔化，从而彼此接触的导电烧结体5在连接处发生熔化结合并彼此连接，最终形成一个整体的泡沫钢。

将多个导电烧结体5堆叠排布在正电极3和负电极4之间，不仅能够使导电烧结体5与正电极3和负电极4充分接触，还能够使相连的导电烧结体5之间形成空隙，提高升温速度，进而减小导电烧结体5的施加时间，还可降低能耗，避免导电烧结体5出现氧化和提高泡沫钢的生产效率。

按照预设参数设定脉冲电源2，且启动脉冲电源2。

需要说明的是，可根据导电烧结体5的体积和材料进行设定脉冲电源2的预设参数。

当多个导电烧结体5相互连接后，关闭脉冲电源2以得到泡沫钢材。

需要说明的是，待多个导电烧结体5相互连接形成一个整体结构后，则烧结结束，关闭电源，待多个导电烧结体5形成的整体结构冷却至室温后取出，最终得到泡沫钢材。可以理解的是，冷却的方式可以是风冷或自然冷却。

根据本发明实施例的泡沫钢材制备方法，利用脉冲电能对导电烧结体5进行直接加热，提高升温速度，使导电烧结体5的连接处迅速溶化并彼此连接，并且还可使导电烧结体5受热更加均匀，避免导电烧结体5之间出现漏焊等情况，最终提高泡沫钢的强度和应变吸收能，通过脉冲电能对导电烧结体5进行加热，由于升温较快，因此减小导电烧结体5的施加时间，还可降低能耗，避免导电烧结体5出现氧化和提高泡沫钢的生产效率。

在一些实施例中，多个导电烧结体5的堆叠方式为面心立方、体心立方或密排六方堆叠。

可以理解的是，可根据导电烧结体5的材料和体积选择导电烧结体5的堆叠方式。

本发明实施例的泡沫钢材制备方法，通过调整导电烧结体5的堆叠方式，控制多个导电烧结体5之间的间隙，从而调整泡沫钢的孔隙率，孔隙率发生变化，泡沫钢的密度、强度和应变吸收能也会随之变化。例如，当导电烧结体5之间的间隙变大时，泡沫钢的孔隙率随之增大，而泡沫钢的密度和强度降低且应变吸收能增大，反之，当导电烧结体5之间的间隙变小时，泡沫钢的孔隙率降低，而泡沫钢的密度和强度增大且应变吸收能降低。

可以理解的是，通过调整导电烧结体5的体积也可以调整泡沫钢的孔隙率，例如，当导电烧结体5的体积变小时，泡沫钢的孔隙率降低，而泡沫钢的密度和强度增大且应变吸收能降低，反之，当导电烧结体5的体积变大时，泡沫钢的孔隙率随之增大，而泡沫钢的密度和强度降低且应变吸收能增大。

下面参照图1描述本发明实施例的泡沫钢材制备装置运行原理。

将正电极3和负电极4的一端固定在烧结箱1内，随后将多个导电烧结体5堆叠在容纳腔101内，多个导电烧结体5位于正电极3和负电极4之间，且多个导电烧结体5至少部分与正电极3相接触，多个导电烧结体5中至少部分与负电极4相接触，按照预设参数设定脉冲电源2，且启动脉冲电源2，电流依次通过正电极3、多个烧结体和阴电极形成完整的电流通路，利用电流对多个烧结体进行加热，使相邻的烧结体之间的连接处发生熔化，最终多个烧结体形成一个整体结构，关闭脉冲电源2，得到泡沫钢材。

本发明实施例的泡沫钢材制备方法，可以通过单独调整导电烧结体5的堆叠方式或单独调整导电烧结体5的体积或者同时调整导电烧结体5的体积和导电烧结体5的堆叠方式调整泡沫钢的孔隙率。通过调整泡沫钢的孔隙率，能够生产出多种型号的泡沫钢，提高泡沫钢的生产效率。

在一些实施例中，多个导电烧结体5的堆叠高度小于容纳腔101在上下方向上的尺寸。

具体地，如图1所示，多个导电烧结体5堆叠的高度低于容纳腔101的高度，从而降低导电烧结体5的热量流失，提高导电烧结体5的升温速度。

在一些实施例中，设定参数为脉冲频率为0～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，施加时间为1～50s。

具体地，脉冲电源2的脉冲频率可以为1Hz、5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、45Hz、55Hz、60Hz、80Hz、95Hz。脉冲电流可以为50A、200A、500A、1000A、5000A、6000A、7500A、8000A、9000A、10000A、50000A。占空比为10％、15％、17％、18％、19％、20％、40％、45％、60％、70％、85％。施加时间为1s、5s、10s、15s、35s、45s、50s。

可以理解的是，脉冲电源2的频率、电流、占空比和施加时间可根据导电烧结体5的体积和材料进行选择，从而适用不同型号的泡沫钢的制备。

在一些实施例中，导电烧结体5的外轮廓为球体、椭球体和圆柱体中的至少一种，导电烧结体5为空心或实心。

需要说明的是，多个导电烧结体5可以均为球体、均为椭球体、均为圆柱体、或者球体与椭球体的组合，或者球体与圆柱体的组合，或者椭球体与圆柱体的组合，或者同时包括球体、椭球体和圆柱体。

可以理解的是，多个导电烧结体5还可以全部为空心，或者全部为实心，或者一部分导电烧结体5为空心而另一部分导电烧结体5为实心。

本发明实施例的泡沫钢制备方法，通过将烧结体的外部轮廓设置为球体、椭球体或圆柱体的至少一种，弧形面相互接触能够减小烧结体之间的接触面积，从而减小相邻烧结体之间的溶化结合的面积，通过较短的时间即可实现相邻烧结体的结合，从而提高泡沫钢的生产效率，还降低了能耗。

并且通过调整多个导电烧结体5中空心的导电烧结体5所占的比例，起到调整泡沫钢孔隙率的作用，即当多个导电烧结体5中空心的导电烧结体5所占的比例增大时，则泡沫钢的孔隙率增大，而泡沫钢的密度和强度降低且应变吸收能增大，反之，当多个导电烧结体5中空心的导电烧结体5所占的比例降低时，则泡沫钢的孔隙率降低，而泡沫钢的密度和强度升高且应变吸收能减小。

在一些实施例中，泡沫钢材制备方法还包括在导电烧结体5的外表面上涂抹金属粉末或在多个导电烧结体5之间填充金属粉末。

需要说明的是，当多个导电烧结体5堆叠结束后，可将金属粉填充至多个导电烧结体5的间隙内，或者，在多个导电烧结体5表面均匀的涂抹金属粉末，需要说明的是，填充的金属粉末或涂抹的金属粉末的材料与导电烧结体5的材料相同，例如，导电烧结体5的材料为铁或者铁合金，则金属粉末为铁或者铁合金粉末，可以理解的是，导电烧结体5的的材料为有色金属或有色金属合金，则金属粉末为有色金属或有色金属粉末。

本发明实施例泡沫钢制备方法，通过填充或涂抹金属粉末，能够使烧结体之间的连接更加稳固，烧结体连接处充斥的金属粉末在脉冲电流的左右下，金属粉末熔化更快，升温速度更快，从而使烧结体之间的连接更快，进而防止了金属氧化，还能够提高泡沫钢制备效率。

下面参照图1描述本发明一些具体实施例的泡沫钢制备方法。

实施例1：将正电极3和负电极4固定在烧结箱1内，随后将多个导电烧结体5按照面心立方的堆叠方式进行堆叠，导电烧结体5的外轮廓为球体，导电烧结体5的直径为6.2mm，壁厚为0.2mm，导电烧结体5为空心，且导电烧结体5的材料为不锈钢，设定脉冲电源2的脉冲电流为300A，频率为10Hz，占空比为10％，施加时间为30s，随后启动脉冲电源2，烧结结束后，将烧结后的烧结体冷却至室温并取出，得到泡沫钢材，通过测量泡沫钢的孔隙率为92％。

实施例2：将正电极3和负电极4固定在烧结箱1内，多个导电烧结体5按照体新立方的堆叠方式进行堆叠，且导电烧结体5为实心球体，导电烧结体5的材料为铁，设定脉冲电源2的脉冲电流为4000A，频率为20Hz，占空比为20％，施加时间为45s，随后启动脉冲电源2，烧结结束后，将烧结后的烧结体冷却至室温并取出，得到泡沫钢材，通过测量泡沫钢的三点弯曲强度为80～150Mpa。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种泡沫钢材制备装置，其特征在于，包括：

烧结箱，所述烧结箱内具有容纳腔；

脉冲电源，所述脉冲电源用于提供脉冲电能；

正电极和负电极，所述正电极与所述脉冲电源的正极相连，所述负电极与所述脉冲电源的负极相连，且所述正电极的一端至少部分伸入所述容纳腔内，所述负电极的一端至少部分伸入所述容纳腔内。

2.根据权利要求1所述的泡沫钢材制备装置，其特征在于，所述烧结箱的材料为非导电材料。

3.根据权利要求1所述的泡沫钢材制备装置，其特征在于，所述脉冲电源的波形为矩形波、弦半波或锯齿波。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的泡沫钢材制备装置，其特征在于，所述脉冲电源的脉冲频率为1～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，脉冲电源的功率为1～1000KW。

5.一种泡沫钢材制备方法，其特征在于，利用如权利要求1-4中任一项所述的泡沫钢材制备装置，所述泡沫钢材制备方法包括：

将所述正电极和所述负电极的一端固定在所述容纳腔内；

将多个导电烧结体堆叠在所述容纳腔内，多个所述导电烧结体位于所述正电极和负电极之间，且多个所述导电烧结体中邻近所述正电极的所述导电烧结体与所述正电极相接触，多个所述导电烧结体中邻近所述负电极的所述导电烧结体与负电极相接触；

按照预设参数设定所述脉冲电源，且启动所述脉冲电源；

当多个所述导电烧结体相互连接后，关闭所述脉冲电源以得到泡沫钢材。

6.根据权利要求5所述的泡沫钢材制备方法，其特征在于，多个所述导电烧结体的堆叠方式为面心立方、体心立方或密排六方堆叠。

7.根据权利要求6所述的泡沫钢材制备方法，其特征在于，多个所述导电烧结体的堆叠高度小于所述容纳腔在上下方向上的尺寸。

8.根据权利要求5所述的泡沫钢材制备方法，其特征在于，所述设定参数为脉冲频率为1～100Hz，脉冲电流为10～100000A，占空比为10％～85％，施加时间为1～50s。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的泡沫钢材制备方法，其特征在于，所述导电烧结体为球体、椭球体和圆柱体中的至少一种，所述导电烧结体为空心或实心。

10.根据权利要求9所述的泡沫钢材制备方法，其特征在于，还包括在所述导电烧结体的外表面上涂抹金属粉末或在多个所述导电烧结体之间填充金属粉末。

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