大气环境下连续制备长尺寸泡沫金属的方法及其装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大气环境下连续制备长尺寸泡沫金属的方法和装置，其方法如下：在大气环境下的金属连铸过程中，通过在石墨结晶器凝固界面前沿处施加一个感应加热线圈，并在线圈中通入中/高频交流电，从而加热石墨结晶器和固液界面前沿的金属熔体，形成高过热熔体，加快二冷水遇热所形成水蒸气与石墨结晶器壁的反应，生成氢气，促进金属熔体中氢气的溶解，然后立即进入高温度梯度的冷却区，熔体析出气泡并立即凝固，最终形成泡沫金属材料。上述过程连续进行，因此可以制备长尺寸的泡沫金属材料。本发明专利技术连铸装置无需至于高压腔体中，无需通过外置模板或者吹气等形式制备泡沫材料，其设备简单、操作容易，可适用于多种金属材料制备。备。备。

【技术实现步骤摘要】
大气环境下连续制备长尺寸泡沫金属的方法及其装置


[0001]本专利技术属于泡沫金属材料制备领域，特别是提供一种在大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法及装置。

技术介绍

[0002]泡沫金属材料具有优异的物理特性和良好的力学性能，被广泛认为是21世纪最有应用前景的新型工程材料之一。根据制备工艺特点，泡沫材料制备可分为金属沉积法、固态处理法和液态处理法等三大类。金属沉积法是在预处理过的表面上进行化学离子沉积或者气相沉积得到金属沉积层的方法，该类方法操作条件要求严格、工序繁琐、生产成本较高。固态处理法是使用固态金属粉末进行烧结制备泡沫金属材料的方法，其缺点为能耗较大，容易混入杂质。液态处理法是制备泡沫金属工艺中最常用的一种方法，其原理主要是在液相金属中添加发泡剂或直接向液体中通入惰性气体，使液相金属在凝固过程中气体能够留在其中，从而得到泡沫结构。不同制备手段获得的泡沫金属在外形、性能及应用方面都具有较大的差异。为解决工业应用中大规模生产的问题，日本的Nakajima教授将连铸技术应用于泡沫金属制备的方法，其方法为：一个高压容器内，在氢气气氛中通过感应线圈加热熔化坩埚中的金属，并保温足够长时间，待氢气充分溶解于液态金属后，开启下引机构，进行连续生产。该类连铸方法目前已成功应用于泡沫铜带的制备，但由于需要高压容器，还需要通入大量氢气，这都大大增加的生产成本和工艺难度。如何克服以上问题，实现工业化连续生产，如何在大气环境下连续制备多孔泡沫材料，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服生产泡沫金属工艺中需要高压容器和通入大量氢气等技术存在的不足，克服高压容器使用对长尺寸泡沫金属制备的极大限制，提供一种在大气环境下连续制备泡沫金属的方法及其装置。
[0004]为达到上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0005]一种大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006]步骤1：将待熔铸金属放入上部石墨坩埚中，在上部石墨坩埚外部设有上部感应线圈，在上部感应线圈中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚中的金属原料，形成金属熔体；在上部石墨坩埚下方连接设置下部石墨坩埚，下部石墨坩埚作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚外部设有下部感应线圈，在下部石墨坩埚的下部连接设置水冷结晶器，在水冷结晶器的连铸坯的拉出位置设置二冷水，在水冷结晶器中通入冷却水；
[0007]步骤2：待熔化后的金属熔体从上部石墨坩埚流入下部石墨结晶器中时，在下部感应线圈中通入交流电，进一步进入加热下部石墨坩埚中的熔体；与此同时，开启二冷水；
[0008]步骤3：开启抽拉连铸设备，利用抽拉连铸设备将连铸坯从水冷结晶器中拉出，通过水冷结晶器和二冷水对连铸坯进行强制冷却，二冷水在冷却连铸坯的过程中遇热变成水蒸气；
[0009]步骤4：在所述步骤3中生成的水蒸气穿过连铸坯与下部石墨坩埚壁内表面之间的间隙中上升，并最终到达在下部石墨坩埚中的金属熔体进行凝固的固液界面处，在下部感应线圈加热的升温作用下，使水蒸气会与固液界面处的高温的下部石墨坩埚壁面的石墨材料发生如下化学反应：
[0010][0011]步骤5：在所述步骤4中进行的化学反应生成的一氧化碳在金属熔体中溶解度极低，会立刻上浮；但反应生成的氢气在金属熔体中具有较高的溶解度，由于连铸设备开启，连铸坯不断成型，一部分溶于金属熔体中的氢气将进入连铸坯中，并使连铸坯的坯体形成气孔，并最终通过连铸工艺得到长尺寸泡沫金属材料。
[0012]优选地，在上述方法在大气环境下进行，无需密闭容器与气体通入，也无需采用多孔模板或固体芯体等外加辅助多孔成型装置。
[0013]优选地，仅在传统连铸过程中多施加一道下部感应加热线圈，即可制备泡沫金属材料，无需采用多孔模板或固体芯材等外加辅助多孔成形装置。
[0014]优选地，采用连续铸造模式对金属泡沫材料进行连续化制备，并最终形成所需长度的长尺寸泡沫金属材料。
[0015]优选地，下部石墨坩埚的材质为石墨，且在下部石墨坩埚外部加设一道感应加热线圈，调控下部石墨坩埚壁面形成的高温条件，促进下部石墨坩埚上的碳与水蒸气反应，并生成一氧化碳和氢气。在上述步骤2中，在下部石墨坩埚外部添加一道感应加热线圈，用于加热该石墨结晶器，这有利于促进结晶器壁面形成高温条件，促进步骤4中水冷结晶器壁面上的碳与水蒸气的反应。
[0016]优选地，在下部石墨坩埚外部加设一道感应加热线圈，加热金属熔体，由于水蒸气在金属熔体中的溶解度与熔体温度相关，且金属熔体温度越高，水蒸气溶解度越大；通过进一步加热金属熔体来提高水蒸气的溶解度，为下部石墨坩埚的壁面与水蒸气的化学反应提供更多的原料。在上述步骤2中，进而提高步骤3中生成的水蒸气在金属熔体中的溶解度，为步骤4中的化学反应提供更多原料，产生更多反应产物—氢气。
[0017]优选地，在下部石墨坩埚外部加设一道感应加热线圈，加热金属熔体，由于氢气在金属熔体中的溶解度与熔体温度相关，且熔体温度越高，氢气的溶解度越大；利用加设的下部感应线圈对于金属熔体的进一步加热，调控并提高反应生成的氢气在金属熔体中的含量。
[0018]优选地，利用下部感应线圈进一步加热金属熔体的方法，来提高氢气在金属熔体中的含量；在连铸过程中，固液界面前沿发生液态到固态的相变过程，液态的金属熔体中来不及排出的氢气将会随着相变过程固定在固相连铸坯中，并最终形成连铸坯中的孔洞；通过控制氢气在金属熔体的含量，调控形成长尺寸的多孔泡沫金属材料。在上述步骤5中，由于金属熔体温度的提高，反应产物氢气在金属熔体中的溶解度也随之提高，这将促进固液界面前沿金属熔体中氢气含量的提高，有利于在凝固过程中形成多孔泡沫金属材料。
[0019]优选地，下部石墨坩埚与连铸坯之间存在间隙，该间隙主要是由于下部石墨坩埚具有一定的拔模斜度，且该拔模斜度设定为0.01
‑
10度。
[0020]优选地，上述方法适用于制备多种金属及其合金的泡沫金属材料，包括铝、铝合
金、镁、镁合金、铜、铜合金、铁、铁合金、镍、镍合金中的任意一种。
[0021]优选地，上述方法适用于泡沫金属的水平、立式、立弯式中的任意一种连铸工艺过程。
[0022]优选地，上述方法适用于圆坯、方坯、板坯、管坯及异型坯的中的任意一种连铸坯制备。
[0023]优选地，在上部感应线圈和下部感应加热线圈中通入的交流电为中/高频交流电，其频率范围为1kHz
‑
100kHz，电流范围为0
‑
500000A，优选电流范围为0
‑
500A。
[0024]一种在大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备装置，由上部石墨坩埚、上部感应线圈、下部石墨坩埚、下部感应线圈、水冷结晶器、二冷水、连铸设备牵引装置组成；上部石墨坩埚和下部石墨坩埚用于盛装金属熔体，上部石墨坩埚和下部石墨坩埚通过螺纹连接，实现密封连接；将待熔铸金属放入上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：将待熔铸金属放入上部石墨坩埚(2)中，在上部石墨坩埚(2)外部设有上部感应线圈(3)，在上部感应线圈(3)中通入交流电，通过感应加热方法，加热并熔化在上部石墨坩埚(2)中的金属原料，形成金属熔体(1)；在上部石墨坩埚(2)下方连接设置下部石墨坩埚(4)，下部石墨坩埚(4)作为石墨结晶器，在下部石墨坩埚(4)外部设有下部感应线圈(5)，在下部石墨坩埚(4)的下部连接设置水冷结晶器(6)，在水冷结晶器(6)的连铸坯(9)的拉出位置设置二冷水(7)，在水冷结晶器(6)中通入冷却水；步骤2：待熔化后的金属熔体(1)从上部石墨坩埚(2)流入下部石墨结晶器(4)中时，在下部感应线圈(5)中通入交流电，进一步进入加热下部石墨坩埚(4)中的熔体；与此同时，开启二冷水(7)；步骤3：开启抽拉连铸设备(8)，利用抽拉连铸设备(8)将连铸坯(9)从水冷结晶器(6)中拉出，通过水冷结晶器(6)和二冷水(7)对连铸坯(9)进行强制冷却，二冷水(7)在冷却连铸坯(9)的过程中遇热变成水蒸气(12)；步骤4：在所述步骤3中生成的水蒸气(12)穿过连铸坯(9)与下部石墨坩埚(4)壁内表面之间的间隙中上升，并最终到达在下部石墨坩埚(4)中的金属熔体进行凝固的固液界面(11)处，在下部感应线圈(5)加热的升温作用下，使水蒸气(12)会与固液界面(11)处的高温的下部石墨坩埚(4)壁面的石墨材料发生如下化学反应：步骤5：在所述步骤4中进行的化学反应生成的一氧化碳在金属熔体中溶解度极低，会立刻上浮；但反应生成的氢气(10)在金属熔体中具有较高的溶解度，由于连铸设备(8)开启，连铸坯(9)不断成型，一部分溶于金属熔体(1)中的氢气(10)将进入连铸坯(9)中，并使连铸坯(9)的坯体形成气孔，并最终通过连铸工艺得到长尺寸泡沫金属材料。2.根据权利要求1所述大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：所述该方法在大气环境下进行，无需密闭容器，亦无需对设备中通入各种气体。3.根据权利要求1所述大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：下部石墨坩埚(4)的材质为石墨，且在下部石墨坩埚(4)外部加设一道感应加热线圈，调控下部石墨坩埚(4)壁面形成的高温条件，促进下部石墨坩埚(4)上的碳与水蒸气(12)反应，并生成一氧化碳和氢气。4.根据权利要求1所述大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：在下部石墨坩埚(4)外部加设一道感应加热线圈，加热金属熔体(1)，由于水蒸气(12)在金属熔体(1)中的溶解度与熔体温度相关，且金属熔体(1)温度越高，水蒸气(12)溶解度越大；通过进一步加热金属熔体(1)来提高水蒸气(12)的溶解度，为下部石墨坩埚(4)的壁面与水蒸气(12)的化学反应提供更多的原料。5.根据权利要求1所述大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：在下部石墨坩埚(4)外部加设一道感应加热线圈，加热金属熔体(1)，由于氢气(10)在金属熔体(1)中的溶解度与熔体温度相关，且熔体(1)温度越高，氢气(10)的溶解度越大；利用加设的下部感应线圈(5)对于金属熔体(1)的进一步加热，调控并提高反应生成的氢气(10)在金属熔体(1)中的含量。
6.根据权利要求1所述大气环境下长尺寸泡沫金属材料的制备方法，其特征在于：利用下部感应线圈(5)进一步加热金属熔体(1)的方法，来提高氢气(10)在金属熔体(1)中的含量；在连铸过程中，固液界面(11)前沿发生液态到固态的...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟云波，沈喆，朱家乐，林中泽，任朗，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：