分類號 密級 U D C 編號 士學(xué)位論文 論 文 題 目 : 高熔點不銹鋼泡沫的制備及其表面改性研究 研 究 生 姓 名 : 王輝 學(xué) 科、專 業(yè) : 電化學(xué)工程 學(xué)院（系、所） : 冶金科學(xué)與工程學(xué)院 指 導(dǎo) 老 師 : 李 劼（教授） ，周向陽（副教授） 分類號 密級 碩士學(xué)位論文 高熔點不銹鋼泡沫的制備及其表面改性研究 of 者姓名： 王輝 學(xué)科專業(yè)： 電化學(xué)工程 學(xué)院 （系、 所） ： 冶金科學(xué)與工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 李劼（教授） 副指導(dǎo)教師： 周向陽（副教授） 論文答辯日期 答辯委員會主席 中 南 大 學(xué) 2008 年 5月 碩士學(xué)位論文 摘 要 I 摘要 金屬泡沫的獨特結(jié)構(gòu)與性能，使得其在化工、冶金、能源、航空、汽車、建筑等領(lǐng)域受到越來越廣泛的重視。 高熔點金屬泡沫由于具有更高的比強度及優(yōu)異的抗氧化、耐腐蝕性能等優(yōu)點，使得其在汽車尾氣處理、高溫冶金熔體的凈化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前的制備方法大大限制了高溫泡沫的應(yīng)用范圍與實用化進程，因此，研究新穎的高溫泡沫制備技術(shù)意義相當重大。本論文主要研究了具有良好三維通孔結(jié)構(gòu)、較高抗彎強度的不銹鋼泡沫的制備工藝，并對如何提高不銹鋼泡沫的抗高溫氧化性和耐腐蝕性能進行了分析研究。 主要的研究結(jié)果如下： （1）在課題小組前期工作的研究過程中，找 到了制備前驅(qū)體的較優(yōu)工藝。本論文在前期工作的基礎(chǔ)上，對制備工藝進行了改良，對前驅(qū)體分步進行脫脂和燒結(jié)，可制得具有良好三維通孔結(jié)構(gòu)的不銹鋼泡沫材料。 （2）通過對聚乙烯醇、聚氨酯海綿和前驅(qū)體的 析，制定了前驅(qū)體的真空熱脫脂工藝，將整個熱脫脂過程分為四個階段，在 200600溫度范圍內(nèi)，控制 1 /升溫速度加熱，其中分別在 300和 600保溫 60脂后，有機物基本上能被脫除，試樣表面沒有宏觀缺陷，試樣中的有機物脫除后，留下大量空洞，且顆粒之間已形成部分燒結(jié)頸，使試樣具有了一定的強度。 （3）對熱脫脂過程中粘結(jié)劑脫除機理進行了 初步探討。在脫脂過程中，粘結(jié)劑的脫除需要一定的通道。因此，首先在試樣表面形成初始表面孔隙；初始表面孔隙形成以后，由于毛細管力的作用，內(nèi)部熔化狀態(tài)的粘結(jié)劑被吸出，伴隨著粘結(jié)劑的流動，金屬粉末隨之發(fā)生顆粒重排，從而使脫脂后試樣表面金屬小球數(shù)量增多，有利于燒結(jié)時的致密化。 （4）對脫脂后的前驅(qū)體進行真空燒結(jié)時，不銹鋼泡沫的表觀密度和線收縮率隨溫度的升高而增大，開孔孔隙率隨溫度的升高而減?。豢箯潖姸仍?1200到 1260之間是隨溫度升高而增大的，當溫度超過 1260后，其抗彎強度反而有所降低；保溫時間對制品表觀密度、線收縮率、開孔率和抗彎強度的影響沒有燒結(jié)溫度影響那么強烈。隨保溫時間的延長，燒結(jié)制品的表觀密度和線收縮率增大，抗彎強度增大，開孔率降低；在燒結(jié)過程中，如果升溫速度太快或燒結(jié)溫度太高，都會使不銹鋼泡沫產(chǎn)生開裂、塌陷變形等缺陷。不銹鋼泡沫的較優(yōu)燒結(jié)工藝參數(shù)為在 1260溫度下保溫 60在此工藝條件下制得的不銹鋼泡沫，具有良好的三維通孔結(jié)構(gòu)，沒有缺陷產(chǎn)生，其孔徑大小為 1右，開孔率為 抗彎強度為 碩士學(xué)位論文 摘 要 5）孔隙是影響泡沫材料抗高溫氧化性和耐蝕性能的主要因素，較多數(shù)量和較大尺寸的孔隙會增加氧氣和腐蝕介質(zhì)與樣 品的接觸面積，從而使抗高溫氧化性和耐腐蝕性降低。而燒結(jié)制品的燒結(jié)密度 隨著燒結(jié)溫度的升高而增大，因此，提高燒結(jié)溫度有利于燒結(jié)制品抗高溫氧化性和耐蝕性的提高。 （6）提出了一種進一步提高不銹鋼泡沫抗高溫氧化性和耐腐蝕性的方法，即對不銹鋼泡沫進行固體粉末包埋滲鋁處理。 固體粉末包埋滲鋁處理可使不銹鋼泡沫表面形成厚度約 100 m 的鋁滲層，滲層表面的 析表明，表面鋁的質(zhì)量分數(shù)達到 ，滲層與基體之間結(jié)合緊密，滲層主要由 滲鋁試樣進行熱氧化處理，可在其 表面獲得比較致密均勻、且主體成分為氧化鋁的表面膜。對比了滲鋁前后不銹 鋼泡沫材料的性能變化，發(fā)現(xiàn)滲鋁處理能夠有效的提高其抗高溫氧化性和耐腐 蝕性，這主要是由于滲鋁層在高溫下所形成的致密氧化膜層阻止了氧化性氣體 和腐蝕介質(zhì)對基體的進一步氧化和腐蝕。 關(guān)鍵詞 不銹鋼泡沫，熱脫脂，真空燒結(jié)，粉末滲鋁，抗高溫氧化性 碩士學(xué)位論文 in to is an in of on is of -D to as (1) of in by on an to on of -D be by (2) to of in is in be up /00 00 0be no to (3) of on In to At on of as a of at of is to of (4) of of of 士學(xué)位論文 IV of 200 260, 260, of is of in if of is or is as is to 260 0in a of Pa be (5) is of of it is to (6) is to of By on a of 00m is be be DX of of a be on of by to on is by of 士學(xué)位論文 目錄 錄 摘要. .一章 文獻綜述.言.銹鋼泡沫的結(jié)構(gòu)和性能特點 . 不銹鋼泡沫的結(jié)構(gòu)特點. 不銹鋼泡沫的性能特點.銹鋼泡沫的應(yīng)用 . 不銹鋼泡沫作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用. 不銹鋼泡沫作為功能材料的應(yīng)用.銹鋼泡沫的制備方法研究概況 . 添加造孔劑法. 粉末冶金發(fā)泡法. 滲流鑄造法. 顆粒堆積法 . 金屬纖維燒結(jié). 中空球料法. 空心球料法.內(nèi)外研究概況 .論文研究的意義及主要內(nèi)容 .二章 不銹鋼泡沫的制備工藝及測試方法.言 .驗原料與主要實驗設(shè)備 . 主要實驗原料. 主要實驗設(shè)備.銹鋼泡沫的制備工藝流程.驗過程中的相關(guān)參數(shù)表征與主要測試方法 .章小結(jié) .三章 前驅(qū)體的熱脫脂研究.言 .脂方法的確定.果與討論 . 聚乙烯醇、聚氨酯海綿和前驅(qū)體的 析 . 脫脂工藝的確定. 不同氣氛對脫脂過程的影響. 熱脫脂過程中粘結(jié)劑脫除機理初探.章小結(jié) .四章 燒結(jié)工藝對不銹鋼泡沫性能的影響.言 .結(jié)制度的確定 . 燒結(jié)方式的選擇.士學(xué)位論文 目錄 燒結(jié)制度的確定.果與討論 . 燒結(jié)溫度對燒結(jié)制品性能的影響 . 保溫時間對燒結(jié)制品性能的影響 . 燒結(jié)過程中的缺陷分析 . 優(yōu)化條件下不銹鋼泡沫的宏觀形貌與內(nèi)部結(jié)構(gòu) .章小結(jié).五章 不銹鋼泡沫的表面滲鋁處理.言.銹鋼泡沫表面處理的原因分析 .銹鋼泡沫表面滲鋁方法的確定 .驗過程 .果與討論 . 滲鋁機理以及影響滲鋁過程的速度控制步驟. 滲層成分及結(jié)構(gòu)分析 . 氧化層組織 . 抗高溫氧化性能. 耐腐蝕性能.章小結(jié) .六章 結(jié)論與展望.論 .望 .參考文獻. 61 攻讀碩士學(xué)位期間主要研究成果. 謝. .士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 1第一章 文獻綜述 言 隨著社會的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類對材料要求的不斷提高，尤其在高新技術(shù)領(lǐng)域，對超輕結(jié)構(gòu)及多功能材料提出了新的要求。泡沫金屬材料是順應(yīng)這一要求在國際上迅速發(fā)展起來的一種集物理功能與結(jié)構(gòu)一體化的新型多功能材料。泡沫金屬是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有很多孔隙的新型功能材料，有的呈骨架結(jié)構(gòu)，有的呈蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其特性和用途與材料的高孔隙率密切相關(guān)。泡沫金屬本身所固有的輕質(zhì)、高比強度、高比表面積的特點，以及其所具有的過濾、減振、阻尼、吸音、隔音、散熱、吸收沖擊能、電磁屏蔽等多種物理性能，使得其既可以用作結(jié)構(gòu)材料，又可以作為功能材料。因此，多孔泡沫金屬在汽車、建筑、環(huán)保等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用1 現(xiàn)階段研究得最多的是鋁、鎂輕金屬泡沫，通常所用的制備方法有熔體直接發(fā)泡法、滲流鑄造法及粉末冶金法等4高熔點泡沫金屬除具有一般泡沫金屬所具有的特性外， 還具有比輕金屬泡沫高得多的強度、 吸能緩沖性和耐高溫性等。近幾年來，人們也開展了高熔點泡沫金屬材料的研究10高熔點泡沫金屬大都采用添加造孔劑的粉末冶金方法制備，也有的使用纖維燒結(jié)的方法，這幾種方法所制備的主要是微孔或閉孔的泡沫材料13對具有三維通孔結(jié)構(gòu)、孔隙率高的高熔點、高強度不銹鋼泡沫材料的制備研究，國內(nèi)外還很少報道。 銹鋼泡沫的結(jié)構(gòu)和性能特點 銹鋼泡沫的結(jié)構(gòu)特點 不銹鋼泡沫從結(jié)構(gòu)上可以分為閉孔不銹鋼泡沫和通孔不銹鋼泡沫兩種。 前者含有大量的獨立氣泡，而后者則是連續(xù)暢通的三維通孔結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)表征參數(shù)包括：孔隙率、孔的尺寸（孔徑）、通孔度、比重及比表面等15一般說來，泡沫鋼具有以下的結(jié)構(gòu)特點。 （1）質(zhì)輕，比重?。翰讳P鋼泡沫是金屬和氣體的混合物，比重僅為同體積鋼的1/103/5。 （2）孔隙率高：總孔隙率是指孔隙所占體積與總體積之比，一般不銹鋼泡沫的孔隙率在10%90%?？紫堵始翱讖娇筛鶕?jù)制造條件及選擇的方法進行控制。 碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 2（3）比表面積大：不銹鋼泡沫的比表面積可達到1040 （4）孔徑范圍較大：通過工藝控制，可獲得的孔徑范圍在微米級至厘米級之間。 銹鋼泡沫的性能特點 不銹鋼泡沫是一種集材料本性和宏觀、 微觀結(jié)構(gòu)特性為一體的新型多功能金屬材料，與傳統(tǒng)不銹鋼材料相比，具有如下的一些獨特性能。 學(xué)性能 不銹鋼泡沫的力學(xué)性能主要取決于它的密度。在不銹鋼泡沫內(nèi)部存在許多的孔洞，通常用孔隙率、孔徑大小、孔的均勻性、孔的連通性及封閉性等來體現(xiàn)不銹鋼泡沫的密度18。當密度減小時，不銹鋼泡沫的力學(xué)性能將急速下降。不銹鋼泡沫的抗彎強度、彈性模量、屈服應(yīng)力隨孔隙率的增大而呈指數(shù)函數(shù)降低。圖1圖可見不銹鋼泡沫的強度遠高于泡沫鋁19。 圖 1銹鋼泡沫的應(yīng)力 圖 1沫鋁的應(yīng)力物理性能 不銹鋼泡沫具有耐高溫的特點。 通孔不銹鋼泡沫的表觀導(dǎo)熱系數(shù)遠低于一般金屬及合金的導(dǎo)熱系數(shù)。不銹鋼泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增大而減小，所以不銹鋼泡沫具有較好的耐高溫性能。 不銹鋼泡沫具有較大的比表面積及復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，因此具有高的散熱性能。自然對流時，一定范圍內(nèi)增大孔徑、孔隙率可以增加對流熱能力；強對流時可以顯著提高換熱能力20 學(xué)及電磁性能 對于通孔不銹鋼泡沫材料，當聲波接觸材料表面時，經(jīng)過漫反射進入不銹鋼泡沫的孔洞內(nèi)，使材料內(nèi)部振動將聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，起到消音的作?2。有研究結(jié)果表明：當頻率較低時，在比較寬的頻率范圍內(nèi)，不銹鋼泡沫都具有較高的聲音吸收度；孔隙愈細小，孔隙相互連接在一起的程度愈高，聲音吸收能力也愈大；采用兩個不同孔隙尺寸的不銹鋼泡沫板，可加寬材料的最大吸聲頻率范圍。 碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 3用電磁波對不銹鋼泡沫材料進行試驗， 發(fā)現(xiàn)不銹鋼泡沫也有吸收電磁波的作用，因此泡沫鋼還有對電磁波的屏蔽作用。 收沖擊能量的性能 不銹鋼泡沫的多孔結(jié)構(gòu)造成了組織的極不均勻，應(yīng)變嚴重滯后于應(yīng)力，在壓縮以不銹鋼泡沫是一種具有高能量吸收特性的輕質(zhì)高阻尼材料，其阻尼性能隨著比表面的增大（小孔徑、高孔隙率）而增強。 通及滲透性能 不銹鋼泡沫具有好的流通及滲透性能。 不銹鋼泡沫的流通及滲透性是隨孔徑的增大而增大，但同時也受表面粗糙度的影響，而且受閉孔數(shù)目的影響很大，只有具有開孔結(jié)構(gòu)的不銹鋼泡沫才具有高的通透性23。 它性能 除了上述性能外，不銹鋼泡沫鋼還具有氣敏性、催化性、抗氧化、耐腐蝕、可回收等多種性能優(yōu)點。 銹鋼泡沫的應(yīng)用 由于不銹鋼泡沫具有如此多的優(yōu)異性能， 使得其作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料在眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，下面將對其應(yīng)用作一簡單的概述。 銹鋼泡沫作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用 1） 交通運輸行業(yè) 在交通運輸方面，輕量化已成為世 界性的課題。為了減輕交通工具 (汽車、機車、飛機、輪船 )的自重，一是改進結(jié)構(gòu)，二是輕 量化材料，前者已大致到了盡頭，只有后者才有潛力可挖。將原來的鋼構(gòu)件換作泡沫結(jié)構(gòu)的材料，可有效的減輕其質(zhì)量24。另外，不銹鋼泡沫的優(yōu)異吸能減震性能，還可將其生產(chǎn)火車上用的零部件，從而達到有效防止火車等在碰撞中發(fā)生的變形。再者，還可用它來生產(chǎn)減震器或其它地方的緩沖材料，如車用集裝箱、航空集裝箱、其它的密封件或容易被扭曲和壓縮的保護裝置等等。 用不銹鋼泡沫材料制作汽車的前后防沖擋（保險杠） ，可以吸收沖撞力，受撞擊時能夠保護人和汽車免遭傷害。如果采用不銹鋼泡沫材料制造蓋板、卡車蓋與滑動頂板等可減輕重量并提高剛度。 2） 建筑業(yè) 不銹鋼泡沫在建筑業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用范圍。 在建筑行業(yè)所需要的高消聲性能、良好絕熱性能方面，不銹鋼泡沫材料可以用來制作室內(nèi)外裝修與天花板的材碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 4料，既輕便美觀，又可以起到防火、隔音的效果。由于不銹鋼泡沫對噪聲有很強的消聲能力， 它還可用來生產(chǎn)空壓機的消聲器材、 公路的防聲壁、 工廠的防聲墻、機械防聲屏、門內(nèi)消聲件、音響室及需要降低噪聲的場合等。具體來說可以用作室外建筑材料、室內(nèi)裝飾材料、天花板、滑動門、護墻板、天棚、間壁活動間壁、計算機房地板、移動房、陳設(shè)品、告示板、鐵路標志線、護欄、包裝材料、黑板、屋面天線等25。 3） 航空航天工業(yè) 輕質(zhì)安全是飛機、飛船等航空航天飛行器的基本要求。輕質(zhì)結(jié)構(gòu)不僅可以減少發(fā)動所需的動能，降低單位能耗，而且可以提高飛行器的靈活性和機動性。減輕航天器的重量是航天產(chǎn)品設(shè)計的重要課題之一，我們都知道飛機、宇宙飛船等飛行器質(zhì)量的減輕往往以克為單位計算，目前每送入軌道 1射費需用上萬美元26?，F(xiàn)在，不銹鋼泡沫材料在航天方面的應(yīng)用是美國重點研究的方向之一。主要應(yīng)用方向為：支撐高精度的一般光學(xué)系統(tǒng)、用于光學(xué)系統(tǒng)大型支架、 機翼金屬外殼的支撐體， 導(dǎo)彈的防外殼高溫塌陷支撐體、 雷達鏡的反射材料。可用來制造電子設(shè)備減震墊、宇宙飛船起落架、減震元件和精密儀器的保護、機內(nèi)裝飾、飛機整流罩、阻流板、副翼、方向舵、側(cè)壁、車門等承受載荷不大，但是要求剛度高、重量輕的結(jié)構(gòu)部件及相應(yīng)零件27。 銹鋼泡沫作為功能材料的應(yīng)用 1） 用作催化劑載體 化學(xué)反應(yīng)尤其是有機化學(xué)反應(yīng)中，催化劑常常起著非常重要的作用，催化劑的表面積也是越大越好， 高孔隙率使得不銹鋼泡沫材料具有大的比表面積。 例如，化學(xué)化工行業(yè)中，可直接使用不銹鋼泡沫作催化劑，或?qū)⒉讳P鋼泡沫制成催化劑載體。 高孔隙率的不銹鋼泡沫金屬作為支撐可能使催化劑高度分散并發(fā)揮更大的作用，其性能遠遠的優(yōu)越于陶瓷催化劑載體。在汽車尾氣凈化處理中，不銹鋼泡沫熱容量小、熱導(dǎo)率高，一方面可以提高在汽車冷啟動時催化劑的加熱速率，從而提高冷啟動時對尾氣的凈化效果； 另一方面還可以改善載體內(nèi)部溫度分布的均勻性，特別是當氣缸內(nèi)燃燒不完全的氣體排出到凈化器內(nèi)進行燃燒而大量放熱時，在陶瓷載體中將可能因傳熱慢而導(dǎo)致載體局部過熱，從而使載體受到損壞，采用不銹鋼泡沫金屬載體則可以有效地避免這種損壞的發(fā)生28。 2） 過濾器 過濾器主要是從液體中分離固體顆?；驈臍怏w中分離固體和液體， 要求具有良好的過濾性能，耐蝕性以及優(yōu)良的力學(xué)性能等。利用不銹鋼泡沫良好的透過性能，可將其應(yīng)用于制備過濾器的重要材料，由于它與粉末冶金多孔金屬相比，有碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 5孔徑大、孔隙率高的特點，用它制作的過濾器應(yīng)用范圍較廣?？捎糜趶牧黧w（如水，溶液，汽油，潤滑油，冷凍劑，聚合物熔體）中濾出固體或懸浮物。在現(xiàn)實生活中，不銹鋼泡沫可以用來過濾汽車尾氣、過濾火電廠或冶金爐窯排放出來的含顆粒粉塵的煙氣、過濾對含微粒的溶液及高溫熔體（如：鋁合金熔體、粗四氯化鈦溶液等）29 3） 阻燃材料 不銹鋼泡沫既有很好的流體穿透性又可有效地阻止火焰的傳播， 且自身還有比較強的耐火能力， 可將其放置在運輸可燃性液體或氣體的管道以防止火焰的傳播。實驗證明，不銹鋼泡沫可以對傳播速度為 550 m/ 4） 熱交換器 高熱導(dǎo)性不銹鋼泡沫可以作為熱交換器材料，通孔規(guī)則排列的孔結(jié)構(gòu)，在不降低熱交換效率的前提下，可減小壓力降，在微電子等高(熱)能量領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。 5） 減震材料 在將不銹鋼泡沫材料墊在振動部位的接合部時，利用多孔泡沫材料的彈性變形可吸收一部分機械沖擊能。 強大的能量吸收能力使得它有可能用于汽車的保險杠甚至于航天器的起落架，也可用作制造升降運輸系統(tǒng)的緩沖器、磨礦機械的能量吸收襯層、汽車乘客坐位前后的可變形材料以改善安全性，優(yōu)異的減振性能也使泡沫技術(shù)有可能用作火箭和噴氣發(fā)動機的支護材料。 6） 消聲、噪音控制材料 由于聲音也是一種震動，故聲音透過金屬泡沫時，可在其內(nèi)部發(fā)生散射、干涉，聲能被泡沫材料吸收，所以金屬泡沫材料也可用于聲音的吸收材料，如消聲器。這種消聲器在氣體管道中都有應(yīng)用，目前已制備出最大直徑 100 泡沫消音器。開口性泡沫可以用于噪音控制，對閉孔不銹鋼泡沫的噪音控制作用也進行了研究， 半圓柱狀的不銹鋼泡沫和鋼背或混凝土背組成的吸音裝置已開發(fā)應(yīng)用于高速公路橋、地鐵的噪音控制。不銹鋼泡沫克服了石棉、玻璃棉等消音材料長期使用易老化、吸水后消聲性能下降的缺點，耐熱性好，在高溫下不釋放有害氣體，不吸濕，是一種優(yōu)良的環(huán)保型消音及噪音控制材料31。 7）用作電極材料 隨著高檔電器的迅速發(fā)展， 可重復(fù)使用的高體積比容量的充電電池消耗也越來越大?？紫堵矢撸?95%）的不銹鋼泡沫對提高電池的這些性能提供了用武之地。 8）用作自發(fā)汗冷卻材料 把固體冷卻劑熔化滲入多孔骨架中，在經(jīng)受高溫時這種 材料內(nèi)部的冷卻劑碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 6會熔化成氣體而吸收大量的熱能， 從而使材料在一定時間內(nèi)保持冷卻劑氣化溫度的水平， 逸出的液體和氣體會在材料的表面形成一層液膜或氣膜可把材料與外界高溫環(huán)境隔離，此過程可一直進行到冷卻劑耗盡為止，由于冷卻劑相當于材料本身“發(fā)汗“，故有自發(fā)汗冷卻材料之稱。 9） 用作發(fā)散冷卻材料 發(fā)散冷卻是一種先進的冷卻技術(shù)， 它是迫使氣態(tài)或者液態(tài)的冷卻劑通過多孔材料，使之在材料的表面建立一層連續(xù)，穩(wěn)定的隔熱性能良好的氣體附面層，將材料與熱流隔開，得到非常理想的冷卻效果。 總之，不銹鋼泡沫材料在許多的領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，并且其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的擴展。 銹鋼泡沫的制備方法研究概況 目前不銹鋼泡沫的研究仍處于制備工藝研究階段， 由于不銹鋼的熔點遠高于鋁等低熔點金屬，在高溫狀態(tài)下的不銹鋼熔體粘度低，發(fā)泡劑分解釋放的氣體難滯留，用傳統(tǒng)的熔體發(fā)泡法和氣體注入法均不可行。目前所研究的不銹鋼泡沫制備方法主要包括：添加造孔劑法、粉末冶金發(fā)泡法、滲流鑄造法、顆粒堆積法、金屬纖維燒結(jié)法等32不同方法所制備泡沫材料中孔的形狀、材料的性能、材料的生產(chǎn)成本、設(shè)備投資的規(guī)模等都有區(qū)別，這些方法各有其優(yōu)缺點，對于不同的應(yīng)用場合、不同的結(jié)構(gòu)要求，所采用的制備方法也不同。下面對各種制備方法作簡單的概述。 添加造孔劑法 所謂添加造孔劑法是將不銹鋼粉和造孔劑粉混合， 用傳統(tǒng)的粉末壓制技術(shù)將其軸向壓實成型，如果需要還可以添加黏性介質(zhì)以得到高強度的壓坯，壓制后還可以進行適當?shù)母稍?，然后從試樣中去除造孔?黏性介質(zhì)，最后在特定氣氛中燒結(jié)即可獲得開孔不銹鋼泡沫材料制品34。其工藝制備流程如圖 1示。 圖 1添加造孔劑法工藝流程圖 造孔劑 添加劑 基料 球磨混合 干燥 成型 燒成 表面加工 成品 碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 7其工藝關(guān)鍵在于造孔劑種類和用量的選擇，以及在基料中的均勻分布性。造孔劑加入的目的在于促使氣孔率增加，它必須滿足下列要求：在加熱過程中易于排除；排除后在基體中無有害殘留物；不與基體反應(yīng)。通過改變造孔劑的加入量可以調(diào)節(jié)孔隙率。在基料和造孔劑顆粒尺寸一定的條件下,隨造孔劑含量的增加，開孔孔隙率隨之增大，而表觀密度與抗壓強度則隨之減小。在燒結(jié)過程中，隨著燒結(jié)溫度的升高,燒結(jié)體致密性愈來愈高，孔隙率下降。常用的造孔劑有尿素或塑料顆粒35等，制備的不銹鋼泡沫見下圖 1示。 (a) 塑料顆粒作造孔劑 (b) 尿素作造孔劑 圖 1銹鋼泡沫孔洞結(jié)構(gòu) 添加造孔劑法，其優(yōu)點是采用不同的成型方法可制得形狀復(fù)雜、氣孔結(jié)構(gòu)各異的制品，工藝過程簡單，添加劑少，成本較低；缺點是難以制取高孔隙率制品，氣孔分布均勻性較差，對造孔劑的分散性要求比較高等。 末冶金發(fā)泡法 粉末冶金發(fā)泡法主要用于鐵基、 鈦基合金及不銹鋼等高熔點金屬泡沫材料的制備。粉末冶金發(fā)泡法最先是由德國不萊梅的 進材料研究所提出的。該技術(shù)的工藝過程是從粉末的混合開始。首先，將不銹鋼粉末或合金粉末與發(fā)泡劑粉末混合， 然后將該混合粉末壓制或單軸冷擠壓形成具有一定密度的半成品，最后將該半成品加熱到接近熔點的最高溫度，發(fā)泡劑在加熱的過程中分解，產(chǎn)生的氣體使擠壓塊膨脹，從而得到一種高孔隙的不銹鋼泡沫。圖 1出了該方法制備泡沫金屬的過程33。 采用該方法制備高熔點不銹鋼泡沫材料的主要要求是找到合適的發(fā)泡劑與開發(fā)具有良好的發(fā)泡性能的合金。對發(fā)泡劑的基本要求是：釋放氣體的溫度在10001200以上（取決于合金成分） ；氣體釋放溫度范圍寬（高達 1550， 接近純鐵的熔點） ；釋放的氣體量足夠多。研究發(fā)現(xiàn)金屬氮化物和某些碳酸鹽具有重要的氣體釋放特性，適合做發(fā)泡 劑，如氮化錳、氮化鉻、氮化鉬、 士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 86 粉末冶金發(fā)泡法可在一定范圍內(nèi)控制氣泡的大小及分布，產(chǎn)品質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，便于商業(yè)生產(chǎn)。而且此法可以制備形狀復(fù)雜的半成品尺寸的工件，若在其表面粘結(jié)或軋制金屬板還可以得到三明治式的復(fù)合材料。 但該技術(shù)同樣存在原材料成本高及不能連續(xù)化生產(chǎn)的缺陷。 圖 1末冶金發(fā)泡法制備不銹鋼泡沫示意圖 流鑄造法 滲流鑄造法是把預(yù)先處理好的填料放入金屬型中制成預(yù)制塊， 再將預(yù)制塊加熱到一定的溫度，然后澆入不銹鋼合金液，并加壓使不銹鋼合金液滲入到預(yù)制塊中，冷卻凝固后形成一個三維網(wǎng)狀互連的復(fù)合體，最后對復(fù)合體進行加工，制成所需形狀，然后將填料粒子去除，最終得到所要求的泡沫制品38。其示意圖如圖1料有耐熱可溶與非可溶性之分。常用的可溶填料為氯化鈉，硫酸鉀球粒，鑄造后可從鑄件中濾洗掉；非可溶性填料是易壓縮的無機塊狀材料，如多孔陶土球、泡沫玻璃、空心鋼玉球、碳素珠粒等。 發(fā)泡劑 不銹鋼或合金粉混料 壓制 加熱 泡沫成品 碩士學(xué)位論文 第一章 文獻綜述 9圖 1流鑄造成型示意圖 滲流鑄造法中應(yīng)重點注意的是造孔材質(zhì)的選定、造球的工藝及造孔球的去除。造孔材質(zhì)的選定原則是：來源廣泛，價格便宜，對環(huán)境無污染，對金屬基體基本無腐蝕，有良好的熱穩(wěn)定性，還應(yīng)容易去除；造球時應(yīng)注意所造之球有一定的強度，球的粒徑大小分布合理；在選定造孔球去除工藝時，應(yīng)注意盡可能使所選用工藝不會對泡沫金屬產(chǎn)生腐蝕。 該法所制備的泡沫材料一般為通孔。其優(yōu)點是制品孔隙結(jié)構(gòu)比較均勻，孔隙率容易調(diào)節(jié)等。缺點就是首先要將不銹鋼熔化，所需溫度很好，不好進行氣氛保護來防止氧化；而且人工操作的時候有一定的危險性等。 粒堆積法 也稱為固態(tài)燒結(jié)法，指的是將金屬粉末散裝到模具中，依靠燒結(jié)過程中粉末顆粒間的毛細作用和表面張力形成相互接觸，從而得到多孔金屬，其成孔是通過顆粒堆積留下空隙形成氣孔。