熔體發(fā)泡法制備稀土泡沫鋁合金試驗研究

王玉芳,鄭江華

(金川集團有限公司火法冶金研究所,甘肅 金昌 737100)

熔體發(fā)泡法制備稀土泡沫鋁合金試驗研究

王玉芳,鄭江華

(金川集團有限公司火法冶金研究所,甘肅 金昌 737100)

簡述了熔體發(fā)泡法制備稀土泡沫鋁合金的發(fā)泡機理,主要討論了溫度、攪拌時間、發(fā)泡劑含量等對其發(fā)泡性能的影響及微量稀土元素在泡沫鋁合金中的作用,通過實驗得出最佳的工藝條件。

稀土元素;泡沫;鋁合金

0 前 言

泡沫金屬由于發(fā)泡工藝與泡孔大小不易控制,限制了其發(fā)展。20世紀40年代后期開始被人們發(fā)現(xiàn)并研制,泡沫鋁合金作為一種新型的功能材料,是近年來發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)功能材料。由于它具有輕質(zhì)、阻燃、阻尼、高能量吸收等優(yōu)良的物理性能[1,2],其應用已經(jīng)涉及了航天航空、運輸、電子、軍工、化工、環(huán)保、能源、機械、生物等各個高科技領(lǐng)域及一般工業(yè)領(lǐng)域。稀土金屬用作鋁合金添加劑,可改變其物理性質(zhì),增加其耐磨性、耐高溫強度及抗蠕變強度,改善加工性能。因此開發(fā)功能與結(jié)構(gòu)一體化的新型材料-稀土泡沫鋁材,有著十分廣闊的市場前景。制備泡沫鋁的方法很多,如粉末冶金法、熔體發(fā)泡法、滲流鑄造法、電渡法、燒結(jié)法等等[3]。本文采用熔體發(fā)泡法制備稀土泡沫鋁合金。

1 發(fā)泡機理

發(fā)泡劑加入熔融鋁合金金屬液中,在一定的溫度下,發(fā)泡劑受熱發(fā)生分解,在金屬液中形成氣泡,冷卻含有氣泡的金屬液并防止氣泡逸出即可獲得泡沫鋁合金。其發(fā)泡過程如下:分解→溶解析出→氣泡成核→氣泡長大→氣泡合并與破裂→冷卻成型。依靠發(fā)泡劑分解出來的氣體,在熔體氣泡中氣體壓力作用下,使氣泡長大發(fā)泡。氣泡長大的驅(qū)動力由分解發(fā)泡劑產(chǎn)生的氣體的分壓P決定。根據(jù)氣體狀態(tài)方程式:PV=nRT,在一定的發(fā)泡劑含量和一定的發(fā)泡時間條件下,隨著溫度的升高,P增大,氣泡生長的驅(qū)動力加強,同時液體的粘度降低,氣泡生長需克服的外界阻力減小,因此在一定溫度范圍內(nèi),氣泡生長趨勢強勁,泡沫鋁的孔隙率增大,體積質(zhì)量變小。隨著溫度的升高P不斷地增大,同時液體的粘度不斷降低,氣泡壁承受來自P的能力變?nèi)?使得氣泡壁被撐破,造成連通孔。氣泡在表面張力的作用下收縮,而引起孔隙率降低,體積質(zhì)量增大?？刂埔欢ǖ陌l(fā)泡溫度,可得到孔隙率高、體積質(zhì)量低,孔徑均勻的泡沫鋁材料。

2 實驗工藝及結(jié)果

2.1 實驗工藝流程

依據(jù)發(fā)泡機理,實驗采用圖1工藝流程。

2.2 實驗方案

依據(jù)稀土鋁合金的熔點特點及發(fā)泡影響因素,設(shè)計L934正交實驗表如表1,稀土鋁基合金2 kg為標準,其中稀土含量為0.55%～1%(質(zhì)量分數(shù))。

圖1 工藝流程圖

表1 L934正交實驗表

圖2 發(fā)泡過程

2.3 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果見圖3,所取試樣都是從發(fā)泡體中鋸1 cm左右,有代表性的片狀物拍攝圖。

圖3 泡沫試樣拍攝圖

從圖3可以看出,2#、3#、6#發(fā)泡效果最好,但3#也有一小點白色物,8#、9#中間有明顯塌陷現(xiàn)象,而4#、5#、7#可以看到中間有白色物存在,7#特別明顯, 1#表面泡沫不均勻。

分析其原因可知,8#、9#由于是溫度較高及攪拌時間長導致的。在攪拌作用下,發(fā)泡劑迅速分解產(chǎn)生大量氣體,由于高溫,熔體的粘性很小,使得氣體在熔體中遇到的阻力很小,其驅(qū)動力促使氣體從氣泡中溢出,在加上攪拌時間長,使得剛剛形成的氣泡破滅,產(chǎn)生了塌陷現(xiàn)象。4#、5#、7#的白色物為未分解的碳酸鈣的混合物,其原因是因為溫度較低,發(fā)泡劑的量過多所產(chǎn)生的。在溫度低的情況下,熔體的粘性較大,發(fā)泡劑不能全部分解完。因此,綜合分析所得,其最佳的條件為:溫度720～750℃,發(fā)泡劑量20～30 g/kg,攪拌時間35～45 s,稀土添加劑0.5%～1%(質(zhì)量分數(shù))。

依據(jù)最佳條件,又進行了了6組實驗,其中3組(4#、5#、6#)未加稀土添加劑,做了驗證對比實驗。其樣品結(jié)果見圖4。

圖4 驗證對比實驗樣品圖

從圖4可以看到發(fā)泡效果都很好,驗證了最佳條件。其中1#、2#、3#加了稀土添加劑,可以看出,表面很均勻,而4#、5#、6#未加稀土添加劑,其表面不是很均勻,像4#、6#表面特別明顯。分析其原因,是由于稀土元素的原子半徑為0.174～0.204 mm,大于鋁原子半徑(0.143 mm)。稀土元素比較活潑,它熔于鋁合金液中,極易填補合金相的表面缺陷,從而降低新舊兩相界面上的表面張力,使得晶核生長的速度增大,同時還在晶粒與合金液之間形成表面活性膜,阻止生成的晶粒長大,使合金的組織細化。同時,鋁與稀土形成的化合物在金屬液結(jié)晶時作為外來的結(jié)晶晶核,因晶核數(shù)的大量增加而使合金的組織細化[4]。

泡沫鋁合金孔隙率及成品率結(jié)果見表2。

表2 泡沫鋁合金的孔隙率測試結(jié)果

表2中1#～9#是9次正交實驗的結(jié)果,10#～15#是6次驗證實驗結(jié)果。從表2中可以看到2#、3#、6#及10#～15#的孔隙率及成品率都比較好,最高的孔隙率達到63.5%,成品率達到36.9%。分析其原因主要是因為:在確保發(fā)泡劑量的前提下,溫度及攪拌時間是孔隙率及成品率的主要影響因素,溫度過高、攪拌時間過長使得剛剛發(fā)泡好的泡沫鋁合金又被破壞,影響成品率。同時在驗證實驗中也證明了稀土添加劑的作用確實能細化晶粒,發(fā)泡均勻,從而使得孔隙率成品率也好。

4 結(jié) 論

(1)通過實驗可以得出最佳工藝條件為:溫度在720～750℃之間,攪拌時間在30～45 s之間,發(fā)泡劑量在20～30 g/kg,其成品率平均在25%左右,孔隙率平均在40%左右。

(2)采用熔體發(fā)泡法的關(guān)鍵在于通過控制溫度和攪拌速度來控制好鋁合金的粘度使發(fā)泡達到最佳效果。

(3)通過加入稀土添加劑,確實能明顯改善合金的組織結(jié)構(gòu),能細化晶粒,使發(fā)泡均勻化。

[1] Davies G J,Zhen S.Metallic foams:their production, properties and application[J].Material Science,1983, 18(4):1899.

[2] 王祝堂.泡沫鋁材:生產(chǎn)工藝、組織性能及應用市場[J].輕合金加工技術(shù),1999,27(12):1-5.

[3] 左孝青,楊曉源,李成華.多孔泡沫金屬研究進展[J].昆明理工大學學報,1997,22(1):90-93.

[4] 丁培道.Ag-Mg-Si-Re合金化合物的電鏡研究[C].第2屆全國青年材料研究研討會論文集,青島: 1989,40-42.

EXPERIM ENTAL STUDY ON THE PREPARATI ON OF RARE EARTH FOAM ALUM INUM ALLOY BY M ELT FOAM ING

WANG Yu-fang,ZHENG Jiang-hua
(Pyrometallurgical Institute,Jinchuan Group Ltd.,Jinchang 737100,Gansu,China)

It summaries the rare earth foam aluminum alloy foaming mechanis m,mainly discusses the influence of temperature,stirring t ime,foaming content and so on on foaming performance and the function ofmicro rare-earth element in foam aluminum alloy,obtains the best craft conditions by the experiment.

rare earth elements;foam;aluminum-alloy

TF845

A

1006-2602(2010)04-0018-03

2010-04-27;修改稿返回日期:2010-06-08

王玉芳(1969-),女,工程師。