[发明专利]一种泡沫钢的真空发泡制备方法

说明书

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Gr₂N，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Gr₂N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Gr₂N后搅拌，Gr₂N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

Gr₂N的加入量为m(g)，Gr₂N的分解反应为：

        （1）

假设Gr₂N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

Gr₂N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Gr₂N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Gr₂N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）