專利名稱：一種利用回收的硅粉制備Mg₂Si/Mg復(fù)合材料的方法
一種利用回收的硅粉制備l^2Si/Mg復(fù)合材料的方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及硅粉綜合利用制備Mg2Si/Mg復(fù)合材料。
技術(shù)背景
鋼鐵和原鎂生產(chǎn)中需要大量使用硅鐵，生產(chǎn)硅鐵產(chǎn)生的粉塵行業(yè)上稱為硅粉，主要成分是二氧化硅，被認(rèn)為是一種工業(yè)廢棄物，嚴(yán)重污染了環(huán)境，因而硅粉的回收以及資源化利用具有十分重要的意義，硅粉中的二氧化硅屬于無(wú)定形物質(zhì)，活性高、顆粒細(xì)小、比表面積大，具有優(yōu)良的理化性能，因而世界上許多國(guó)家對(duì)硅粉的再利用進(jìn)行了大量的研究。早在1947年挪威?？瞎?ElkemASA)就開(kāi)始進(jìn)行微硅粉的生產(chǎn)技術(shù)、粉塵處理、分級(jí)和應(yīng)用方面的研究，成為世界上最早開(kāi)展微硅粉研發(fā)的企業(yè)，并始終在微硅粉收塵與處理技術(shù)上保持領(lǐng)先地位。之后，美國(guó)、俄羅斯、日本也開(kāi)始進(jìn)行研發(fā)應(yīng)用，并成為微硅粉主要生產(chǎn)國(guó)。 目前，硅粉年生產(chǎn)量為美國(guó)30萬(wàn)t，俄羅斯7萬(wàn)t，娜威12萬(wàn)t，日本7萬(wàn)t。美國(guó)、俄羅斯、挪威等國(guó)均有微硅粉造球?qū)＠椭魄蛟O(shè)備。
我國(guó)對(duì)微硅粉的應(yīng)用研究和回收利用起步較晚，近幾年，由于國(guó)家對(duì)環(huán)保的重視， 逐步加強(qiáng)了對(duì)污染企業(yè)的管理，特別是國(guó)內(nèi)對(duì)高強(qiáng)混凝土需求的增加，許多鐵合金生產(chǎn)企業(yè)配備了收塵設(shè)備，并開(kāi)發(fā)、引進(jìn)了加密技術(shù)。我國(guó)微硅粉產(chǎn)品發(fā)展迅速，在該領(lǐng)域與國(guó)外的差距逐步縮小。迫于節(jié)能減排的壓力，汽車行業(yè)對(duì)鎂合金的需求日趨迫切。由于鎂合金存在強(qiáng)度不高(特別是高溫強(qiáng)度)，剛度不足等弱點(diǎn)，目前鎂合金主要應(yīng)用于非結(jié)構(gòu)件和非耐熱件上，這極大地限制了鎂合金在汽車行業(yè)的應(yīng)用。由于含有高剛度和高強(qiáng)度的第二相顆粒，鎂基復(fù)合材料具有高的剛度、良好的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。由于Mg2Si具有高熔點(diǎn)(1087°C)、低密度(1.99g/cm3)、高硬度(HV460)、低熱膨脹系數(shù) (7. 5 X 10- -1)和高彈性模量(120GPa)等優(yōu)點(diǎn)，Mg2Si顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料密度與鎂合金相當(dāng)，但具有更高的剛度、強(qiáng)度和抗蠕變能力，是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料之一。在制備增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中，普遍使用結(jié)晶硅作為硅源。結(jié)晶硅材料是全球最主要的光伏材料，隨著單晶硅和多晶硅在太陽(yáng)能電池中廣泛運(yùn)用，硅原料緊缺的狀況日益嚴(yán)重。成本是制約鎂基復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的最大障礙之一，在制備Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料中如能用硅粉代替結(jié)晶硅，不僅可以實(shí)現(xiàn)硅粉的資源化利用，而且節(jié)約了日益昂貴的硅資源，具有重要的環(huán)保、資源和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
硅粉的回收以及資源化利用是國(guó)家大力扶持和提倡的項(xiàng)目。對(duì)硅粉的資源化利用目前還處于初級(jí)階段，如何高附加值地利用硅粉是硅粉資源化利用的主要技術(shù)難點(diǎn)。
Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的首選材料之一，目前面臨的主要技術(shù)難點(diǎn)有二 =(I)Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料成本高如何降低Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的成本是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵之一。O)Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料高溫性能的最大化=Mg2Si的形態(tài)和分布控制以及尺度的細(xì)化，細(xì)小均勻分布圓形的Mg2Si可以最大化Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，利用回收的硅粉與鎂合金進(jìn)行反應(yīng)，通過(guò)攪拌鑄造的方法制備低成本高性能Mg2Si增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料。硅粉顆粒和其中的雜質(zhì)相可以起到異質(zhì)形核中心的作用，在優(yōu)化工藝下，實(shí)現(xiàn)對(duì)Mg2Si的形態(tài)、分布和尺度的控制，從而達(dá)到優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和蠕變抗力；利用工業(yè)粉塵硅粉作為反應(yīng)劑，大幅度降低復(fù)合材料的制造成本的一種利用回收的硅粉制備Mg2Si/Mg復(fù)合材料的方法。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明采用工業(yè)粉塵硅粉作為硅源，通過(guò)攪拌鑄造法實(shí)現(xiàn)鎂和硅粉的原位化學(xué)反應(yīng)，制備出了性能優(yōu)良的M&Si/Mg復(fù)合材料。
鎂合金為AZ系列的鎂合金，硅粉為工業(yè)粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量為70% 75%,復(fù)合材料制備是在井式電阻爐中進(jìn)行，采用SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SF6 和90%的C02，坩堝為鋼制坩堝。
本發(fā)明一種利用回收的硅粉制備Mg2Si/Mg復(fù)合材料的方法，其特征是
(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為100°C 400°C ；
(b)、將300 420g鎂合金AZ91D放入井式爐中加熱，同時(shí)通入SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SF6和90%的CO2，加熱1 3小時(shí)至750°C 1100°C使鎂合金熔化， 用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；
(c)將二氧化硅的含量為70% 75%工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后濾去水，放入烘干箱中，溫度設(shè)定為70 85°C，烘干，硅粉用鋁箔包裹加入步驟(b) 中熔化的鎂合金熔體中，加入的硅粉重量百分比為鎂合金AZ91D2重量的2. 5% 5. 75%, 攪拌10 60min，攪拌速度400rpm 900rpm，使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；
(d)、變質(zhì)處理將 2wt%釙元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入上述步驟 (c)熔體中，攪拌5min 40min ；
(e)、自然降溫在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到650°C 800°C，停止攪拌，將步驟(d)中的熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，金屬型的預(yù)熱溫度100°C 400°C，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫， 即得到本發(fā)明復(fù)合材料，Mg2Si/Mg復(fù)合材料中各成分的重量百分比含量為 Mg2Si 3. 50% 5. 75%, Mg04. 15% 6. 45%，余量為 87. 80% 92. 35% AZ91 鎂合金；
(f)、熱處理將制備步驟(e)制備好的Mg2Si/Mg復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能，T6處理工藝為400 440°C保溫20 25h，然后淬入20 30°C水中，最后在 200 250°C時(shí)效4 8h。
利用本發(fā)明的方法制備的M&Si/Mg復(fù)合材料優(yōu)點(diǎn)如下
(1)利用了廢棄的硅粉，一方面有利于環(huán)境保護(hù)，另一方面提升了廢棄硅粉的再利用價(jià)值；
(2)制備的Mg2Si/Mg復(fù)合材料性能特點(diǎn)是輕質(zhì)高強(qiáng)，具有較高的彈性模量: 55. ISGPa而鎂合金僅為44. SGPa ；而且強(qiáng)度達(dá)到了同類復(fù)合材料的上限水平；
(3)該復(fù)合材料比鎂合金具有更好的耐磨性；
(4)應(yīng)用領(lǐng)域主要航空航天等需要輕質(zhì)高強(qiáng)性能和耐磨性能的領(lǐng)域；
(5)制備方法簡(jiǎn)單。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
鎂合金為AZ91D鎂合金，硅粉為工業(yè)粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量為70%，復(fù)合材料制備是在井式電阻爐中進(jìn)行，采用SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SF6和90%的 C02，坩堝為鋼制坩堝。
Mg2Si/Mg復(fù)合材料的制備方法如下
(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為400°C ；
(b)、將AZ91D鎂合金340g放入井式爐中加熱，同時(shí)通入保護(hù)氣體，加熱2. 5小時(shí)至950°C使鎂合金熔化，用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；
(C)、工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后濾去水，放入溫度70°C 烘干箱中烘干，將11. 05g硅粉用鋁箔包裹加入到鎂合金熔體中，攪拌20min，攪拌速度 400rpm，使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；
(d)、變質(zhì)處理將3. 51gSb元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入上述步驟(c)的熔體中，攪拌5min;
(e)、自然降溫在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到650°C，停止攪拌，將步驟(d)中的熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，預(yù)熱預(yù)熱溫度400°C，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫，即得到本發(fā)明的Mg2Si/Mg 復(fù)合材料，制備的M&Si/Mg復(fù)合材料中各成分的重量百分比含量為M&Si 4. 50%, MgO 5. 15%、其余為AZ91鎂合金；
(f)、熱處理將制備步驟(e)制備好的Mg2Si/Mg復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能；T6處理工藝為400°C保溫22h，然后淬入水中，最后在200°C時(shí)效4h。
實(shí)施例2
鎂合金為AZ91D鎂合金，硅粉為工業(yè)粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量為72%，復(fù)合材料制備是在井式電阻爐中進(jìn)行，采用SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SF6和90%的 C02，坩堝為鋼制坩堝。
Mg2Si/Mg復(fù)合材料的制備方法如下
(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為300°C ；
(b)、將AZ91D鎂合金380g放入井式爐中加熱，同時(shí)通入保護(hù)氣體，加熱2小時(shí)至 850°C使鎂合金熔化，用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；
(C)、工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后濾去水，放入烘干箱中， 溫度75°C烘干，將18. 66g硅粉用鋁箔包裹加入到鎂合金熔體中，攪拌40min，攪拌速度 900rpm,使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；
(d)、變質(zhì)處理將5. 98gSb元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入熔體中，攪拌15min ；
(e)、自然降溫，在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到700°C，停止攪拌，將步驟(d)的熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，預(yù)熱溫度300°C，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫，即得到本發(fā)明的Mg2Si/Mg復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料中各成分的重量百分比為=Mg2Si 5. 25%,MgO 5. 87%，其余為AZ91鎂α全口巫ο
(f)、熱處理將制備步驟(e)制備好的Mg2Si/Mg復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能；T6處理工藝為410°C保溫23h，然后淬入20°C水中，最后在220°C時(shí)效證。
實(shí)施例3:
鎂合金為AZ91D鎂合金，硅粉為工業(yè)粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量約74%，復(fù)合材料制備是在井式電阻爐中進(jìn)行，采用SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SF6和90%的 C02，坩堝為鋼制坩堝。
Mg2Si/Mg復(fù)合材料的制備方法如下
(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為200°C ；
(b)、將AZ91D鎂合金300g放入井式爐中加熱，同時(shí)通入保護(hù)氣體，加熱1小時(shí)至 750°C使鎂合金熔化，用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；
(c)、工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后濾去水，放入溫度為80°C 的烘干箱中烘干，將6. 91g硅粉用鋁箔包裹加入到鎂合金熔體中，攪拌lOmin，攪拌速度 750rpm,使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；
(d)變質(zhì)處理將1. 23gSb元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入熔體中，攪拌25min ；
(e)、自然降溫，在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到750°C，停止攪拌，將熔體澆于預(yù)熱溫度為200°C的預(yù)熱金屬型中，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫，即得到本發(fā)明的Mg2Si/Mg復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料中個(gè)成分的重量百分比含量為M&Si 3. 50%,MgO 4. 15%、余量為AZ91鎂合金；
(f)、熱處理將制備步驟(e)制備好的Mg2Si/Mg復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能，T6處理工藝為420°C保溫20h，然后淬入水中，最后在240°C時(shí)效幾。
實(shí)施例4
鎂合金為AZ91D鎂合金，硅粉為工業(yè)粉塵硅粉，其中二氧化硅的含量為75%，復(fù)合材料制備是在井式電阻爐中進(jìn)行，采用SF6+C02，10%的SF6和90%的CO2氣體保護(hù)，坩堝為鋼制坩堝。
Mg2Si/Mg復(fù)合材料的制備方法如下
(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為100°C ；
(b)、將AZ91D鎂合金420g放入井式爐中加熱，同時(shí)通入保護(hù)氣體，加熱3小時(shí)至 1100°C使鎂合金熔化，用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；
(c)、工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后濾去水，放入溫度85°C 為烘干箱中烘干，將25. 62g硅粉用鋁箔包裹加入到鎂合金熔體中，攪拌60min，攪拌速度 550rpm,使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；
(d)、變質(zhì)處理將8. 91gSb元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入熔體中，攪拌40min ；
(e)、自然降溫，在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到800°C，停止攪拌，將熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，預(yù)熱溫度100°c，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須經(jīng)常通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫，即得到本發(fā)明的Mg2Si/Mg復(fù)合材料，制備的復(fù)合材料中各成分的重量百分比含量為=Mg2Si 5. 75%,MgO 6. 45%、其余為AZ91鎂合金；
(f)、熱處理將制備步驟(e)制備好的Mg2Si/Mg復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能；T6處理工藝為440°C保溫25h，然后淬入30°C水中，最后在250°C時(shí)效他。
權(quán)利要求
1. 一種利用回收的硅粉制備Mg2Si/Mg復(fù)合材料的方法，其特征是(a)、將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，烘箱的溫度設(shè)置為100°C 400°C；(b)、將300 420g鎂合金AZ91D放入井式爐中加熱，同時(shí)通入SF6+0)2混合的氣體保護(hù)，其中10%的SFf^P 90%的CO2，加熱1 3小時(shí)至750°C 1100°C使鎂合金熔化，用鋼勺刮除表面雜質(zhì)；(c)將二氧化硅的含量為70% 75%工業(yè)粉塵硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物， 然后濾去水，放入烘干箱中，溫度設(shè)定為70 85°C，烘干，硅粉用鋁箔包裹加入步驟(b)中熔化的鎂合金熔體中，加入的硅粉重量百分比為鎂合金AZ91D2重量的2. 5% 5. 75%，攪拌10 60min，攪拌速度400rpm 900rpm，使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；(d)、變質(zhì)處理將0. 2wt% Sb元素用鋁箔包裹后，用鐘罩壓入上述步驟(c)熔體中，攪拌5min 40min ；(e)、自然降溫在降溫過(guò)程中繼續(xù)攪拌，冷卻到650°C 800°C，停止攪拌，將步驟(d) 中的熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，金屬型的預(yù)熱溫度100°C 400°C，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，防止鎂暴露在空氣中氧化，熔體在金屬型中自然冷卻到室溫，即得到本發(fā)明的M&Si/Mg復(fù)合材料，Mg2Si/Mg復(fù)合材料中各成分的重量百分比含量為M&Si 3. 50% 5. 75%, Mg04. 15% 6. 45%，余量為 87. 80% 92. 為 A^l 鎂合金；(f)、熱處理將制備步驟(e)制備成的復(fù)合材料進(jìn)行T6處理，以獲得更高的性能，T6 處理工藝為400 440°C保溫20 25h，然后淬入20 30°C水中，最后在200 250°C時(shí)效4 》1。
全文摘要
本發(fā)明一種利用回收的硅粉制備Mg2Si/Mg復(fù)合材料的方法，其特征是將實(shí)驗(yàn)所需的坩堝放入烘箱中烘干，鎂合金放入井式爐中加熱，同時(shí)通入SF6+CO2混合的氣體保護(hù)，加熱1～3小時(shí)至750℃～1100℃使鎂合金熔化，二氧化硅含量為70～75％工業(yè)粉塵硅粉放入水中硅粉用鋁箔包裹加入，加入硅粉的重量百分比占鎂合金重量.25％～5.75％；攪拌，使鎂合金和硅粉充分反應(yīng)；進(jìn)行變質(zhì)處理、自然降溫，將熔體澆于預(yù)熱的金屬型中，預(yù)熱溫度100℃～400℃，在整個(gè)攪拌鑄造過(guò)程中，須持續(xù)通保護(hù)氣體，即得本發(fā)明Mg2Si/Mg復(fù)合材料，本發(fā)明采用工業(yè)粉塵硅粉作為硅源，通過(guò)攪拌鑄造法實(shí)現(xiàn)鎂和硅粉的原位化學(xué)反應(yīng)，工藝方法簡(jiǎn)單，制備成本低，制備出的Mg2Si/Mg復(fù)合材料性能優(yōu)良的。
文檔編號(hào)C22C1/02GK102517489SQ20111045168
公開(kāi)日2012年6月27日 申請(qǐng)日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者張建華, 張文波, 李進(jìn)軍, 楊春霞, 狄石磊, 王強(qiáng), 邸建輝, 郭永亮, 高平 申請(qǐng)人:內(nèi)蒙古五二特種材料工程技術(shù)研究中心