稀土泡沫铝制备影响因素研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 4 3 稀土泡沫铝制备影响因素研究 陈肖虎1 ，一，高利伟2 ，尹卓湘2 ，郑江华2 1 ．昆明理工大学，昆明6 5 0 0 0 0 ；2 ．贵州大学，贵阳5 5 0 0 0 3 摘要通过正交试验L I 。 4 5 得出最佳的稀土泡沫铝合金制备工艺参数发泡剂的含量0 ．1 5 ％、发泡温度 6 8 0 ℃、搅拌时间3r a i n 、保温时间1 0m i m ；研究稀土添加剂量对泡沫铝材料机械性能的影响，用熔体发 泡工艺制备出了低成本、结构可控的高强度稀土泡沫铝合金。 关键词稀土；泡沫铝合金；正交试验；空隙率 中图分类号T G l 6 ．2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 6 0 5 0 0 4 3 ～0 3 T h eS t u d yo ft h eR a r eE a r t hF o a mA l u m i n u mP r e p a r a t i o n C H E NX i a o h u l ，G A OL i ．w e i 2 ，Y I NZ h u o ．x i a n 9 2 ，Z H E N GJ i a n g ．h u a 2 1 ．K u n m i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 0 0 。C h i n a ；2 ．G u i z h o uU n i v e r s i t y ，G u i y a n g5 5 0 0 0 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h eb e s tc r a f tp a r a m e t e r so b t a i n e dt h r o u g ht h eo r t h o g o n a lt e s ta r e t h ec o n c e n t r a t i o no ff o a m i n ga g e n t i s0 ．1 5 ％；t h ef o a m i n gt e m p e r a t u r ei s6 8 0 ℃；m i x i n gt i m ei s3m i n u t e s ；p r e s e r v a t i o nt i m ei s1 0m i n u t e s ．A n d h i g hq u a l i t y ，s t r u c t u r ec o n t r o l l e dh i g hs t r e n g t hr a r ee a r t hf o a ma l u m i n u ma l l o yc a nb ep r e p a r e db yt h es m e l t i n g b u b b l es y s t e mw i t hl o wc o s t ． K e y w o r d s R a r ee a r t h ；F o a ma l u m i n u ma l l o y ；O r t h o g o n a lt e s t ；P o r o s i t y 泡沫铝材料具有优良的性能高的孔隙率、大的 比表面积、小的密度和大的孔径以及金属骨架的三 维网状结构uJ ，因而兼有结构材料和功能材料的特 点。因此，它的应用已经涉及了航天航空、运输、电 子、军工、化工、环保、能源、机械、生物等各个高科技 领域及一般工业领域[ 2 1 。泡沫铝的回收再生性满 足可持续发展的周期循环生态要求[ 3 】。 提高泡沫铝的强度，改善其性能，降低其生产成 本，是目前研究的热点。我们前期的研究发现在泡 沫铝中加入稀土添加剂，可使其性能得到明显改善 Z L 0 3 1 1 7 8 9 5 ．2 。本试验研究泡沫铝制备的影响 因素及稀土添加剂的影响作用，进而开发功能与结 构一体化的新型材料一稀土泡沫铝材，有着十分广 阔的市场前景。 基金项目黔科合 2 0 0 4 [ G G Y 0 1 0 ] 作者简介陈肖虎 1 9 5 5 一 ，男，浙江杭州人，教授，在读博士 1 原材料、试验方案及设备 1 ．1 原料及组成 铝基材料A 1 9 9 ％ 、S i 9 7 ％ ；添加剂稀土、 增黏剂、自制发泡剂。稀土铝合金中各元素的质量 分数 ％ S i1 0 、稀土0 ．1 5 ～0 ．4 5 、增黏剂 1 1 2 、2 1 0 、1 发泡剂0 ．1 ～2 ．0 、灿余量。 1 ．2 制备方法 在众多的制备方法中，熔体发泡法因其生产工 艺相对简单、成本低，因而最具有工业化规模生产的 前途[ 4 】。本研究选用熔体发泡法制备稀土泡沫铝 合金材料。 1 ．3 试验设备 坩埚电阻炉、1 2 号坩埚、自制搅拌装置、I n ． s t r o n 8 5 0 1 全数字式电液伺服材料试验机、电子天 平、烧杯。 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期 1 ．4 试验方案 试验采用正交试验研究发泡温度 A 、发泡剂 的添加量 B 、保温时间 C 、稀土添加量 D 及搅拌 时间 E 等因素对泡沫铝合金平均空隙率的影响试 验方案见表1 。 表1 正交试验方案 T a b l e1 O r t h o g o n a le x p e r i m e n t sp l a n 序号 A ／℃B ／％C ／m i nD ／％E ／m i n l6 8 0O ．50O ．1 51 27 0 01 ．050 ．2 52 3 7 2 0 1 ．5 ． 1 00 ．4 03 47 5 02 ．O】50 ．4 54 2 试验过程、结果及分析 2 ．1 试验过程 a 按试验所设计比例，称量铝、硅、碳化硅、 镁、稀土添加剂、发泡剂的质量，将纯铝和硅在石墨 坩埚内加热熔化，然后加入稀土添加剂； b 按比例加入1 增黏剂，快速搅拌，然后把 熔液浇注到预热的坩埚中，同时加入2 增黏剂，搅 拌均匀； 摹 ＼ 静 蘸 州 露 牛 发泡温度／℃ 0 搅拌时I f i l ／m l n c 当熔体达到一定黏度时加入一定量的1 发泡剂，并高速搅拌速度至使之弥散均匀，然后保温 发泡，发泡完毕，以预定方式对泡沫铝进行冷却。 2 ．2 泡沫铝孔隙结构特性计算测量方法 泡沫铝中所有孔隙所占体积与总体积之比称为 孔隙率。其测量方法为体积差法。计算式为 1nh 斤 e 三∑ 1 一等 1 0 0 ％ ni 2 1 p m ’V 式中e 一泡沫金属的孔隙率；M 一泡沫金属的 质量；p 。一母体金属的密度；V 一泡沫金属的体积；n 一试样个数。 泡沫金属的体积V 用排水法测量，在试验中测 量的孔隙率为平均孔隙率，即在相同条件下制备4 个试样，测量每个试样的孔隙率，然后取其平均值。 2 ．3 结果分析 试验对影响发泡效果的主要因素进行了分析， 采用L 】6 4 5 正交表。由正交试验结果可知在本试 验条件下，各因素对制品泡沫铝空隙率的影响次序 为发泡剂的添加量 B 、发泡温度 A 、搅拌时间 E 、保温时间 C 、稀土添加量 D 。图1 给出了发 泡温度、发泡剂量、搅拌时间和保温时间与泡沫铝合 金平均空隙率的关系。 蓬 褥 鬣 龚 舟 墨 篓 娶 斗 I lI ．51 ．01 ．5 2 ．0 2 ．5 发泡剂含量／％ 保温时问，r a i n 图1工艺参数与平均空隙率的关系 F i g ．1 T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o c e s sp a r a m e t e r sa n da v e r a g ep o r o s i t y 试验得到的最佳的工艺参数为发泡温度试验还研究了稀土添加剂对制品机械性能的影 6 8 0 ℃、发泡剂含量0 ．1 5 ％、搅拌时间3r a i n 、保温 下转第4 7 页 时间1 0m i m ，并作了试验验证。 斛跎∞他；e似花∞矾砸矾眈 0 0 0 O 0 O O O O O 0 O 鲫为侣订两；￡弭豫让n 0 0 O O 0 0 O 0 O O 爨＼瞽鬣翎曰牛 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 6 年5 期4 7 3结论 应用固相化学反应，以L a C l 3 6 1 - 1 2 0 和H 2 巴0 4 2 H 2 0 为原料，首先制得前驱物草酸镧，继而前驱物 在7 5 0 ℃分解3h ，得到产物纳米L a 2 0 3 。经检测，产 物为长方形结构，平均粒径为1 2 n m ；加入一定量的 表面性剂，可使粒子尺寸变小、分散性更好、克服一 些团聚现象。 参考文献 [ 1 ] 姚超，马江权，林西平，等．纳米氧化镧的制备[ J ] ．高校 化学工程学报，2 0 0 3 ，1 2 6 x x 一 【】【． [ 2 ] 盐川二郎．稀土的最新应用技术[ M ] ．北京化学工业出 版社，1 9 9 3 ． [ 3 ] 李新勇，李树先．纳米半导体研究进展[ J ] ．化学进展， 1 9 9 6 ，8 3 2 3 1 ． [ 4 ] 俞建群，贾殿赠，郑毓峰．纳米氧化物的合成新方法[ J ] ． 元机化学学报，1 9 9 9 ，1 5 1 9 5 9 8 ． [ 5 ] 李道华，叶向荣，忻新泉．纳米材料的室温固相化学反应 合成[ J ] ．化学研究与应用，1 9 9 9 ，1 1 4 1 8 2 1 ． 上接第4 4 页 响。结果见表2 。 表2 稀土对泡沫铝材料机械性能的影响 T a b l e2T h ei n 订u e n c eo fr a r ee a r t ho n a l l o y ’sm a c h i n ec a p a b i l i t y 试验结果表明稀土添加量对铝合金的机械性 能有较大影响。在稀土添加剂0 ．1 5 ％～0 ．4 0 ％的 范围内，铝合金在加入稀土元素后抗拉强度和延伸 率都有不同程度的提高。在稀土元素加入量小于 0 ．4 ％时，随稀土元素加入量的升高铝合金的抗拉强 度和延伸率同步升高；稀土元素加入量大于该值后， 稀土添加量继续增加对稀土铝合金的强度影响不 大。稀土泡沫铝合金的抗压屈服强度在稀土含量 0 ．1 5 ％- - 0 ．4 0 ％范围内随着稀土含量的增加而增 大，当稀土含量超过0 ．4 0 ％。其抗压屈服强度随稀 土含量的增加而减小。在稀土添加量相同的情况 下，稀土泡沫铝合金与铝合金基体表现出相似的趋 势，说明泡沫铝合金的抗压屈服强度与铝合金基体 的机械性能有密切的关系。 3结论 1 用熔体发泡法制备出高质量、低成本、结构 可控的高强度稀土泡沫铝合金，试验得出优化的参 数为发泡剂含量1 ．5 ％、发泡温度6 8 0 ℃、搅拌时间 3m i n 、保温时间1 0m i n ； 2 稀土添加剂对铝合金的机械性能有很大的 影响，在一定浓度稀土的范围内，不但铝合金基体的 抗拉强度和延伸率随稀土含量增加而同步增加，而 且稀土泡沫铝的抗压屈服强度也表现出相似的规 律，但其加入量大于0 ．4 5 ％ 质量分数 后，．对改善 铝合金基体机械性能是不利的。 参考文献 [ 1 ] A s h b yMF ，M e h lRF ，M e d a l i s t ．T h eM e c h a n i c a lP r o p e r ． t i e so fC e l h h rS o l i d s [ J ] ．M e t a l l u r g i c a lT r a n s a c t i o nA ， 1 9 9 3 ，1 4 A 1 7 5 5 1 7 9 6 ． [ 2 ] D V I E SGJ ，S H UZ H E N ．M e t a l l i cf o a m s t h e i rp r o d u e ． t i o n ，p r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o n s ，J o u r n a lo fM a t e r i a hS c i e n c e ，1 9 8 3 ，1 8 1 8 9 9 1 9 1 1 ． [ 3 ] G r u n d l a g e n ，W e r k s t o f f e ．A l u m i n u mT a s c h e n b u c h V 0 1 ．1 ， A l u m i n i u mV e r l a g [ M ] ．D u s s e l d o r f ，1 9 9 5 ． [ 4 ] 何德坪，马立群．新型通孔泡沫铝的传热特性[ J ] ．材料 研究学报，1 9 9 7 ，1 1 4 4 3 1 ． [ 5 ] 孙伟成．稀土在铝合金中的行为[ M ] ．北京兵器工业出 版杜，1 9 9 2 ． [ 6 ] 蒙多尔福LF ．铝合金的组织与性能[ M ] ．王祝堂，张振 录，郑漩，等，译．北京冶金工业出版社，1 9 8 8 ． [ 7 ] 陈肖虎，樊张帆，陈骏．稀土元素添加剂在泡沫铝合金制 备中的应用[ J ] ．稀有金属，2 0 0 4 ，2 8 4 6 8 7 6 8 9 [ 8 ] 陈冠荣．化学百科全书[ M ] ．北京化学工业出版社， 2 0 0 1 ． 万方数据