一种二级复合多孔钢基材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，属于多孔金属材料技术领域。本发明专利技术将待制备的钢基金属棒垂直穿过感应线圈固定在真空感应区域熔炼炉的水冷底座上，将真空感应区域熔炼炉密闭后抽真空至炉内气压低于5 Pa；真空感应区域熔炼炉内充入氮气至氮气压力为0.2~1.0 Mpa；充气结束后，对位于感应区的钢基金属棒匀速加热至温度1538~1700℃并保温熔融，再匀速牵引钢基金属棒穿过感应线圈完成连续区域熔炼；区域熔炼结束，随炉冷却至室温，取出得到二级复合多孔钢基材料，二级复合多孔钢基材料中柱状气孔沿凝固方向定向排列，球形气孔均匀分布在钢基基体中，相比于传统单一柱状气孔金属材料，二级复合材料拥有更好的力学性能。能。

【技术实现步骤摘要】
一种二级复合多孔钢基材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，属于多孔金属材料


技术介绍

[0002]基于对定向凝固技术制备多孔金属材料的研究，多孔金属材料具有低密度、高比表面积、优异的能量吸收性和良好的加工性能等优点，定向凝固多孔金属材料比其对应的致密材料具有更高的沿气孔长度方向平行排列的强度，多孔金属的强化机制是因为Hall
‑
Petch效应使得定向凝固多孔金属的晶粒尺寸相对于对应致密金属比较细小，造成多孔金属的屈服强度较高。研究发现当定向凝固的多孔金属材料受载方向与气孔长方向相同时，多孔金属材料的抗拉强度与屈服强度随着气孔率增加而线性增加，因此具有更好的力学性能。在多孔金属材料的应用方面，由于多孔金属内部气孔呈圆柱形状定向排列，气孔内壁光粗糙无其他附着物，吸附性良好，同时由于表面积更大，在物质传输上接触面积更多，所以在微通道热沉、人工骨、轴承、在催化和其他方面有着广泛的应用前景。
[0003]由于定向凝固多孔金属具有结构各向异性特征，当受力方向与气孔生长方向不完全一致时，多孔金属的抗拉强度明显小于与气孔平行的强度，并存在随着气孔率的增大而迅速减小的现象，这说明当受力方向与气孔生长方向不一致时，多孔金属内存在明显的应力集中，从而导致多孔金属的抗拉强度下降。

技术实现思路

[0004]针对现有技术多孔材料当受力方向与气孔生长方向不一致时力学性能降低的问题，本专利技术提出了一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，即在柱状气孔多孔钢基材料中增加球形气孔，由于球形气孔尺寸较小，且均匀分布，在力学性能上不受载荷方向的限制，使复合多孔钢基材料具有更好的力学性能。
[0005]一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，具体步骤如下：（1）将待制备的钢基金属棒垂直穿过感应线圈固定在真空感应区域熔炼炉的水冷底座上，将真空感应区域熔炼炉密闭后抽真空至炉内气压低于5 Pa；（2）真空感应区域熔炼炉内充入氮气至氮气压力为0.2~1.0 Mpa；（3）充气结束后，对位于感应区的钢基金属棒匀速加热至温度1538~1700℃并保温熔融，熔化的金属液在电磁力与钢基金属棒试样支撑的作用下不会滴落，形成与感应区高度相当的熔区，感应区部分的钢基金属棒完全熔化，再匀速牵引钢基金属棒向下穿过感应线圈完成连续区域熔炼；（4）区域熔炼结束，随炉冷却至室温，取出得到二级复合多孔钢基材料。
[0006]所述步骤（1）钢基金属棒为纯铁、铁碳合金或不锈钢。
[0007]所述步骤（2）氮气纯度为99.99%。
[0008]所述步骤（3）牵引速率为1~100mm/min。
[0009]所述步骤（4）二级复合多孔钢基材料中柱状气孔沿凝固方向定向排列，球形气孔均匀分布在钢基基体中。
[0010]二级复合多孔钢基材料的制备原理：在区域熔炼中氮的析出分为两个部分，第一部分，L
→
γ，金属液相在熔融状态下饱和吸氮，凝固时基体内氮含量超过γ相中饱和氮含量，过饱和的氮由凝固界面析出，在合适的凝固速率下形成气孔，此时析出的气体主要参与形成柱状气孔；第二部分为γ
→
α，随着温度继续降低，γ相转变为α相，α相中氮的饱和含量低于γ相，过饱和的氮由γ相析出，此时金属已经凝固，气泡无法突破γ奥氏体的阻碍生长为柱状气孔，因此析出的气体形成球形气孔，分布在基体中；与单一柱状气孔结构的多孔钢基材料只在沿气孔生长方向上具有良好的力学性能相比，复合型多孔钢基材料中球形气孔不受载方向的限制而具有良好的力学性能，弥补了柱状气孔的应用限制。
[0011]本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术在柱状气孔多孔钢基材料中增加球形气孔，由于球形气孔尺寸较小，且均匀分布，在力学性能上不受载荷方向的限制，使复合多孔钢基材料具有更好的力学性能；（2）本专利技术简单易操作、成本低、在制备过程不会引入杂质。
附图说明
[0012]图1为实施例1钢基多孔材料柱状气孔横截面图；图2为实施例1钢基多孔材料柱状气孔纵截面图；图3为实施例1钢基多孔材料球形气孔形貌图。
实施方式
[0013]下面结合具体实施方式对本专利技术作进一步详细说明，但本专利技术的保护范围并不限于所述内容。
[0014]实施例1：一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，具体步骤如下：（1）使用砂纸将钢基金属棒（工业纯铁棒）表面打磨去除氧化层，经无水乙醇清洗后干燥，将预处理的工业纯铁棒垂直穿过感应线圈并经夹具固定在真空感应区域熔炼炉的水冷底座上，将真空感应区域熔炼炉密闭后抽真空至炉内气压低于5 Pa；（2）真空感应区域熔炼炉内充入氮气至氮气压力为1.0Mpa；其中氮气纯度为99.99%；（3）充气结束后，对位于感应区的钢基金属棒匀速加热至温度1700℃并保温熔融，熔化的金属液在电磁力与钢基金属棒试样支撑的作用下不会滴落，形成与感应区高度相当的熔区，感应区部分的钢基金属棒完全熔化，再以1mm/min的牵引速率匀速牵引钢基金属棒向下穿过感应线圈完成连续区域熔炼；（4）区域熔炼结束，随炉冷却至室温，取出得到二级复合多孔钢基材料；本实施例钢基多孔材料柱状气孔横截面图见图1，钢基多孔材料柱状气孔纵截面图见图2，钢基多孔材料球形气孔形貌图见图3，柱状气孔直径集中在500~700μm之间，气孔率为35%，气孔呈圆柱形状定向排列，气孔内壁光粗糙无其他附着物，吸附性良好，同时由于表面积更大，在物质传输上接触面积更多，所以在微通道热沉、人工骨、轴承、在催化等其他
方面有着广泛的应用前景；球形气孔直径在0.06~1.50μm，气孔率为3%，球形气孔受载时无应力集中现象，可强化基体力学性能，且球形多孔材料在吸音降噪方面表现良好。
[0015]实施例2：一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，具体步骤如下：（1）使用砂纸将钢基金属棒（铁碳合金棒）表面打磨去除氧化层，经无水乙醇清洗后干燥，将预处理的铁碳合金棒垂直穿过感应线圈并经夹具固定在真空感应区域熔炼炉的水冷底座上，将真空感应区域熔炼炉密闭后抽真空至炉内气压低于5 Pa；（2）真空感应区域熔炼炉内充入氮气至氮气压力为0.8Mpa；其中氮气纯度为99.99%；（3）充气结束后，对位于感应区的钢基金属棒匀速加热至温度1650℃并保温熔融，熔化的金属液在电磁力与钢基金属棒试样支撑的作用下不会滴落，形成与感应区高度相当的熔区，感应区部分的钢基金属棒完全熔化，再以10mm/min的牵引速率匀速牵引钢基金属棒向下穿过感应线圈完成连续区域熔炼；（4）区域熔炼结束，随炉冷却至室温，取出得到二级复合多孔钢基材料；本实施例二级复合多孔钢基材料中柱状气孔沿凝固方向定向排列，球形气孔均匀分布在钢基基体中，柱状气孔主要集中在550~800μm，球形气孔直径在0.06~0.87μm。
[0016]实施例3：一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，具体步骤如下：（1）使用砂纸将钢基金属棒（牌号为430的不锈钢棒）表面打磨去除氧化层，经无水乙醇清洗后干燥，将预处理的不锈钢棒垂直穿过感应线圈并经夹具固定在真空感应区本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二级复合多孔钢基材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：（1）将待制备的钢基金属棒垂直穿过感应线圈固定在真空感应区域熔炼炉的水冷底座上，将真空感应区域熔炼炉密闭后抽真空至炉内气压低于5 Pa；（2）真空感应区域熔炼炉内充入氮气至氮气压力为0.2~1.0 Mpa；（3）充气结束后，对位于感应区的钢基金属棒匀速加热至温度1538~1700℃并保温熔融，再匀速牵引钢基金属棒穿过感应线圈完成连续区域熔炼；（4）区域熔炼结束，随炉...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹芒，李再久，段小渝，李宏，杨秀苹，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：