CN100443608C - 一种稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法，首先将锌铝合金加热至融化，添加高纯度的Al-La或Al-Ce中间合金，保持稀土锌铝合金熔体渗流温度为450℃～550℃；把食盐装入模具，预热温度为350℃～450℃，然后将模具插入到稀土锌铝合金熔体中渗流，渗流时间为10～40秒；稀土锌铝合金凝固后，取出食盐颗粒与稀土锌铝合金的复合体，除去食盐颗粒即得稀土泡沫锌铝合金。本发明的方法通过在Zn-Al合金中添加稀土元素变质剂可以改善其硬度、强度、抗腐蚀性、耐磨性和阻尼本领，由此制备出用途广泛的新材料稀土泡沫锌铝合金。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体涉及一种稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法。
背景技术
泡沫铝及其合金是一种新型的轻质结构材料，它具有较低的屈服强度和比其基体金属大得多的压缩应变，因而在消声、减震、分离工程、催化载体、屏蔽防护、吸能缓冲等一些高技术领域具有广泛的应用前景。由于多孔效应的作用，泡沫铝具有比其基体材料本身高得多的阻尼性能。然而，应该认识到基体本身的性质对泡沫金属的阻尼性能具有重要的决定作用，Zn-Al合金是典型超塑性阻尼合金，泡沫Zn-Al合金较泡沫铝具有较高的抗压强度和阻尼性能。稀土元素作为变质剂添加到泡沫Zn-Al合金中可进一步细化材料的组织，提高材料的强度，改善材料的力学性能，另外稀土的交互作用可以消除有害杂质铁、铅，改善合金的机械性能，也有利于放宽杂质的限量，降低成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法，该方法制备得到的新材料稀土泡沫锌铝合金，具有硬度高、强度大、抗腐蚀性和耐磨性的特点。
本发明所采用的技术方案是，稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法，包括以下步骤：
a.将锌铝合金加热至融化，添加Al-La或Al-Ce中间合金，使La或Ce在Zn-Al-La或Zn-Al-Ce中的质量比为0.1％～0.7％，保持稀土锌铝合金熔体渗流温度为450℃～550℃；
b.将工业食盐进行去结晶水和破碎处理后，倒入模具中紧实，并于350℃～450℃温度间预热；
c.把装有工业食盐颗粒的模具插入到上述稀土锌铝合金熔体中渗流10～40秒；
d.待渗流结束，稀土锌铝合金凝固后，取出工业食盐颗粒与稀土锌铝合金的复合体，除去工业食盐颗粒，得到稀土泡沫锌铝合金。
本发明的特点还在于，把装有工业食盐颗粒的模具插入到稀土锌铝合金熔体中进行渗流，是采用以下步骤：把工业食盐颗粒装入模具的一端并紧实，把装有工业食盐颗粒的模具的一端插入到上述稀土锌铝合金熔体中，把模具的另一端通过真空管与真空罐相连接，抽真空使真空罐的真空度达到-0.01～-0.08MPa，使稀土锌铝合金熔体在负压下渗流10～40秒。
本发明的制备方法操作简单、成本较低，在Zn-Al合金中添加稀土元素镧或铈，制成稀土泡沫锌铝合金，镧或铈作为变质剂，使基体Zn-Al合金材料的硬度、强度、抗腐蚀性、耐磨性和阻尼本领得到较大提高。
附图说明
图1是本发明制备方法的流程图；
图2是提供一种本发明方法中采用的负压装置示意图；
图3是本发明方法制备得到的复合材料金相组织照片，其中，a是0.1wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-22％Al，b是0.7wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-22％Al，c是0.1wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-22％Al，d是0.7wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-22％Al。
图中，1.真空泵，2.真空罐，3.电阻炉，4.压力表，5.阀，6.真空管，7.模具。
具体实施方式
如图1所示，本发明的稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法，合金中铝的含量为(质量分数)5％、22％、27％，在每一种合金成分里分别添加稀土元素镧或铈，具体按以下步骤进行：第一步，将锌铝合金加热至融化，添加高纯度的Al-La或Al-Ce中间合金，使La或Ce在Zn-Al-La或Zn-Al-Ce中的质量比为0.1％～0.7％，保持稀土锌铝合金熔体渗流温度为450℃～550℃；第二步，将工业食盐进行去结晶水和破碎处理后，倒入模具中紧实，并于350℃～450℃温度间预热；第三步，把装有工业食盐颗粒的模具插入到上述稀土锌铝合金熔体中进行渗流，渗流时间10～40秒，渗流可采取在负压状态下进行，把工业食盐颗粒装入钢管模具的一端并紧实，把装有工业食盐颗粒的钢管模具的一端插入到稀土锌铝合金熔体中，把钢管模具的另一端通过真空管与真空罐相连接，抽真空使真空罐的真空度达到-0.01～-0.08MPa，使稀土锌铝合金熔体在负压下渗流10～40秒；第四步，待稀土锌铝合金凝固后，取出工业食盐颗粒与稀土锌铝合金的复合体，水煮除去工业食盐颗粒。该方法可以制备出孔径为0.1～3.0mm、孔隙率为60％～90％的通孔稀土泡沫锌铝合金。
图2提供了一种本发明方法所使用的负压渗流装置，工作时，将真空泵1打开，对真空罐2抽真空，通过阀5和真空压力表4来控制真空罐2的真空度，达到要求的真空度后，将模具7通过真空管6连接到真空罐2，模具7上装满工业食盐的一端在恒定的负压下插入电阻炉3的金属液中开始渗流。
实施例1
将29g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将552g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-5％Al合金溶液，然后把5.8g的Al-10％La中间合金添加到Zn-5％Al合金溶液中，制备出Zn-5％Al-0.1％La合金溶液，保持Zn-5％Al-0.1％La合金熔体渗流温度为550℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒21g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在450℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-5％Al-0.1％La合金熔体中，使Zn-5％Al-0.1％La合金熔体在真空度为-0.01MPa的压力下渗流40秒，去除工业食盐颗粒即可获得质量为37g、孔径为1.0mm、孔隙率82％的Φ20mm×65mm通孔Zn-5％Al-0.1％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例2
将30g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将554g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-5％Al合金溶液，然后把44g的Al-10％La中间合金添加到Zn-5％Al合金溶液中，制备出Zn-5％Al-0.7％La合金溶液，保持Zn-5％Al-0.7％La合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒19g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在445℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-5％Al-0.7％La合金熔体中，使Zn-5％Al-0.7％La合金熔体在真空度为-0.06MPa的压力下渗流30秒，待Zn-5％Al-0.7％La合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量41g、孔径为1.0mm、孔隙率80％的Φ20mm×65mm通孔Zn-5％Al-0.7％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例3
将97g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将344g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-22％Al合金溶液，然后把4.5g的Al-10％La中间合金添加到Zn-22％Al合金溶液中，制备出Zn-22％Al-0.1％La合金溶液，保持Zn-22％Al-0.1％La合金熔体渗流温度为500℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒20g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在400℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-22％Al-0.1％La合金熔体中，使Zn-22％Al-0.1％La合金熔体在真空度为-0.01MPa的压力下渗流20秒，待Zn-22％Al-0.1％La合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为38g、孔径为1.0mm、孔隙率83％的Φ20mm×65mm通孔Zn-22％Al-0.1％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例4
将95g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将340g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-22％Al合金溶液，然后把32.5g的Al-10％La中间合金添加到Zn-22％Al合金溶液中，制备出Zn-27％Al-0.7％La合金溶液，保持Zn-22％Al-0.7％La合金熔体渗流温度为550℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒23g装入Φ22mm×68mm的模具中，然后将模具插入到Zn-22％Al-0.7％La合金熔体中，使Zn-22％Al-0.7％La合金熔体在真空度为-0.08MPa的压力下渗流40秒，待Zn-22％Al-0.7％La合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为42g，39g、孔径为1.0mm、孔隙率87％的Φ20mm×65mm通孔Zn-22％Al-0.7％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例5
将155g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将419g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-27％Al合金溶液，然后把5.8g的Al-10％La中间合金添加到Zn-27％Al合金溶液中，制备出Zn-27％Al-0.1％La合金溶液，保持Zn-27％Al-0.1％La合金熔体渗流温度为550℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒21g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在450℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-27％Al-0.1％La合金熔体中，使Zn-27％Al-0.1％La合金熔体在真空度为-0.06MPa的压力下渗流40秒，待Zn-27％Al-0.1％La合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为39g、孔径为1.0mm、孔隙率88％的Φ20mm×65mm通孔Zn-27％Al-0.1％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例6
将160g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将443g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-27％Al合金溶液，然后把45g的Al-10％La中间合金添加到Zn-27％Al合金溶液中，制备出Zn-27％Al-0.7％La合金溶液，保持Zn-27％Al-0.7％La合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为1.0mm的工业食盐颗粒20g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在450℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-27％Al-0.7％La合金熔体中，使Zn-27％Al-0.7％La合金熔体在真空度为-0.08MPa的压力下渗流30秒，待Zn-27％Al-0.7％La合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为38g、孔径为1.0mm、孔隙率88％的Φ20mm×65mm通孔Zn-27％Al-0.7％La稀土泡沫锌铝合金。
实施例7
将33g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将555g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-5％Al合金溶液，然后把6g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-5％Al合金溶液中，制备出Zn-5％Al-0.1％Ce合金溶液，保持Zn-5％Al-0.1％Ce合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒16g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在450℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-5％Al-0.1％Ce合金熔体中，使Zn-5％Al-0.1％Ce合金熔体在真空度为-0.08MPa的压力下渗流40秒，待Zn-5％Al-0.1％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量43g、孔径为0.5mm、孔隙率84％的Φ20mm×65mm通孔Zn-5％Al-0.7％Ce稀土泡沫锌铝合金。
实施例8
将29.1g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将553g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-5％Al合金溶液，然后把43.5g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-5％Al合金溶液中，制备出Zn-5％Al-0.7％Ce合金溶液，保持Zn-5％Al-0.7％Ce合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒18g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在450℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-5％Al-0.7％Ce合金熔体中，使Zn-5％Al-0.7％Ce合金熔体在真空度为-0.06MPa的压力下渗流30秒，待Zn-5％Al-0.7％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量42g、孔径为0.5mm、孔隙率85％的Φ20mm×65mm通孔Zn-5％Al-0.7％Ce稀土泡沫锌铝合金。
实施例9
将96.5g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将342g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-22％Al合金溶液，然后把4.4g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-22％Al合金溶液中，制备出Zn-22％Al-0.1％Ce合金溶液，保持Zn-22％Al-0.1％Ce合金熔体渗流温度为500℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒20g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在400℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-22％Al-0.1％Ce合金熔体中，使Zn-22％Al-0.1％Ce合金熔体在真空度为-0.01MPa的压力下渗流20秒，待Zn-22％Al-0.1％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为25g、孔径为0.5mm、孔隙率84％的Φ20mm×65mm通孔Zn-22％Al-0.1％Ce稀土泡沫锌铝合金。
实施例10
将98g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将341g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-22％Al合金溶液，然后把33g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-22％Al合金溶液中，制备出Zn-22％Al-0.7％Ce合金溶液，保持Zn-22％Al-0.7％Ce合金熔体渗流温度为550℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒21 g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在350℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-22％Al-0.7％Ce合金熔体中，使Zn-22％Al-0.7％Ce合金熔体在真空度为-0.01MPa的压力下渗流10秒，待Zn-22％Al-0.7％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为42g、孔径为0.5mm、孔隙率82％的Φ20mm×65mm通孔Zn-22％Al-0.7％Ce稀土泡沫锌铝合金。
实施例11
将155g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将419g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-27％Al合金溶液，然后把5.8g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-27％Al合金溶液中，制备出Zn-27％Al-0.1％Ce合金溶液，保持Zn-27％Al-0.1％Ce合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒20g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在400℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-27％Al-0.1％Ce合金熔体中，使Zn-27％Al-0.1％Ce合金熔体在真空度为-0.04MPa的压力下渗流15秒，待Zn-27％Al-0.1％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为40g、孔径为0.5mm、孔隙率83％的Φ20mm×65mm通孔Zn-27％Al-0.1％Ce稀土泡沫锌铝合金。
实施例12
将158g铝块放入坩埚，在电阻炉中加热至融化，再将421g锌块加入到坩埚中，制备出Zn-27％Al合金溶液，然后把43.5g的Al-10％Ce中间合金添加到Zn-27％Al合金溶液中，制备出Zn-27％Al-0.7％Ce合金溶液，保持Zn-27％Al-0.7％Ce合金熔体渗流温度为450℃；选取颗粒直径为0.5mm的工业食盐颗粒20g装入Φ22mm×68mm的模具中，并且在400℃下保温，使其预热温度均匀，然后将模具插入到Zn-27％Al-0.7％Ce合金熔体中，使Zn-27％Al-0.7％Ce合金熔体在真空度为-0.01MPa的压力下渗流20秒，待Zn-27％Al-0.7％Ce合金凝固后，去除工业食盐颗粒即可获得质量为39g、孔径为0.5mm、孔隙率85％的Φ20mm×65mm通孔Zn-27％Al-0.7％Ce稀土泡沫锌铝合金。
通过图3所示的稀土泡沫锌铝合金的金相照片可以观察出组织被细化，提高了机械阻尼性能，以上实施例得到的复合材料的性能具体参数见下表。
| 材料 | 抗压强度MPa | 阻尼内耗Q<sup>-1</sup>(■10<sup>-3</sup>) |
| 0.1wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-5％Al | 20.4 | 6.0024 |
| 0.7wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-5％Al | 25.6 | 11.025 |
| 0.1wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-22％Al | 22.5 | 30.023 |
| 0.7wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-22％Al | 26.4 | 8.6605 |
| 0.1wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-27％Al | 23.3 | 35.235 |
| 0.7wt％La r＝1.0mm泡沫Zn-27％Al | 30.5 | 20.245 |
| 0.1wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-5％Al | 20.2 | 6.3587 |
| 0.7wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-5％Al | 33.9 | 12.325 |
| 0.1wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-22％Al | 25.5 | 26.558 |
| 0.7wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-22％Al | 34.8 | 9.2378 |
| 0.1wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-27％Al | 26.4 | 31.258 |
| 0.7wt％Ce r＝0.5mm泡沫Zn-27％Al | 40.2 | 18.365 |
可以看出，本发明的方法通过在Zn-Al合金中添加稀土元素变质剂得到的新复合材料可以提高硬度、强度、抗腐蚀性、耐磨性和阻尼本领。
Claims (2)
1.一种稀土泡沫锌铝合金复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
a.将锌铝合金加热至融化，添加Al-La或Al-Ce中间合金，使La或Ce在Zn-Al-La或Zn-Al-Ce中的质量比为0.1％～0.7％，保持稀土锌铝合金熔体渗流温度为450℃～550℃；
b.将工业食盐进行去结晶水和破碎处理后，倒入模具中紧实，并于350℃～450℃温度间预热；
c.把装有工业食盐颗粒的模具插入到上述稀土锌铝合金熔体中渗流10～40秒；
d.待渗流结束，稀土锌铝合金凝固后，取出工业食盐颗粒与稀土锌铝合金的复合体，除去工业食盐颗粒，得到稀土泡沫锌铝合金。
2.按照权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述把装有工业食盐颗粒的模具插入到稀土锌铝合金熔体中进行渗流，是采用以下步骤：把工业食盐颗粒装入模具的一端并紧实，把装有工业食盐颗粒的模具的一端插入到上述稀土锌铝合金熔体中，把模具的另一端通过真空管与真空罐相连接，抽真空使真空罐的真空度达到-0.01～-0.08MPa，使稀土锌铝合金熔体在负压下渗流10～40秒。
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| 真空渗流法制备泡沫铝及其动态力学性能的研究. 王新坤，袁起立.铸造技术，第27卷第3期. 2006 * |
| 稀土元素添加剂在泡沫铝合金制备中的应用. 陈肖虎，樊张帆，陈骏.稀有金属，第28卷第4期. 2004 |
| 稀土元素添加剂在泡沫铝合金制备中的应用. 陈肖虎，樊张帆，陈骏.稀有金属，第28卷第4期. 2004 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN1936046A (zh) | 2007-03-28 |
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