CN100341645C

CN100341645C - 镁合金－珍珠岩泡沫复合材料的制备方法

Info

Publication number: CN100341645C
Application number: CNB2005101191083A
Authority: CN
Inventors: 王立民; 吴耀明; 豆传国; 彭秋明; 房大庆; 杨洁; 孟健; 张洪杰
Original assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Applied Chemistry of CAS
Priority date: 2005-12-26
Filing date: 2005-12-26
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2025-12-26
Also published as: CN1792505A

Abstract

本发明涉及镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法。本发明的镁合金-珍珠岩复合材料是用真空渗流铸造法，将膨胀珍珠岩复合到纯镁或镁合金中所形成的具有特定结构的闭孔或通孔轻体镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。解决了泡沫镁的管、带、片材工业生产中泡孔质量难以控制的技术难题。

Description

镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法

技术领域：

本发明涉及镁合金-珍珠岩泡沫复合材料及其制备方法

背景技术：

由于泡沫合金、膨胀珍珠岩、松脂石、蛭石具有重量轻、消声等性能好等特点而倍受关注。膨胀珍珠岩、蛭石、漂珠等无机非金属材料与橡胶复合作为潜艇外壳的“消声瓦”或其与水泥等复合作为铁路、高速公路、地铁等两侧常见的隔声板有着广泛的应用。但泡沫镁合金目前应用的影响力和广泛性还不能与上述无机非金属材料复合材料相比。主要原因在于泡沫镁合金或其复合材料在制备过程中一些技术难题表现的较为突出，特别是制造工业普遍使用的管、带、片材表现的更为明显。中国专利200310111400.1号公开的题为“一种泡沫镁制备工艺”的专利，该专利揭示用真空渗流方法，很容易使得液态Mg渗透16目～120目的颗粒获得泡沫镁，并且该发明人在中国期刊“特种铸造及有色合金”2003年第6期P 8～10报道了使用与上述发明相同的方法制备泡沫镁的细节，其选择的颗粒为MgSO₄或NaCl；由于盐颗粒的粒度选择受限制较小，真空渗流通道顺畅，但缺点在于后处理过程中用大量水溶解掉盐颗粒，环保和对泡沫镁制品腐蚀的防护较难解决。另一中国专利03100180.7号公开的题为“一种高强轻质泡沫铝复合材料及其制备方法”的专利，该专利用火力发电厂粉煤灰中分离获得的玻璃空心漂珠和含有部分该漂珠的煤灰混合料与铝复合，制备闭孔泡沫铝复合材料，其复合材料在提高压缩强度、增加隔热效果、控制泡沫铝孔径方面都有很大改善。但是，选择漂珠同样也给后续工艺带来严重的负面效应，由于漂珠属于发电厂粉煤灰的附带品，很难选择到粒度大一点的颗粒，很小粒度的漂珠堆积在模具内，其透气性差，必须用很高的压力才能够将液态铝压入漂珠的间隙中，这导致生产大块或较厚板材等困难，对该专利工业实用性范围形成了难以逾越的限制。另外一些中国专利，如中国专利03200299.8号、200320115557.7号和03100180.7号，对于渗流制备泡沫铝中的固体颗粒的选择提出很好的建设性思想，但具体可操作内容和措施比较空泛。另一方面，泡沫铝与无机颗粒复合出的复合材料与泡沫镁-无机颗粒复合材料相比，前者不如后者的重量轻，后者在要求轻量化领域内应用更有吸引力。中国专利200410012162.3号公开了题为“镁基泡沫复合材料及制备”的专利，该专利揭示以Mg合金粉和MgCO₃为原料，用粉末冶金法制备泡沫镁复合材料，该发明的优点之一在于发泡剂MgCO₃发泡后残留的MgO对泡沫镁抗腐蚀性无严重影响，但其不足表现在粉末冶金法制备小器件可以，工业生产大体积的管、带、片材受到制约。另一中国200410012166.1号专利公开了题为“无机相镁基多孔复合材料及制备方法”的专利，该专利揭示用真空渗流方法，将镁合金液体通过(Mg，Fe，Al)₃[(Si，Al)₄O₁₀](OH)₂·4H₂O蛭石类颗粒制备镁合金泡沫复合材料；该发明的优点在于蛭石的价格比较便宜。但严重的缺点表现在：蛭石中Fe含量通常比珍珠岩和松脂石高出10～25倍，自然界中寻找到低含量Fe的蛭石是极其困难的。超过300℃镁与蛭石中无定形SiO₂反应，反应过程中蛭石内的Fe很容易残留在泡沫镁复合材料。显然，人为的增加复合材料中Fe的含量而留下腐蚀隐患，在材料设计合理性和材料使用过程中质保性两方面存在严重缺欠。

发明内容：

本发明的目的在于解决泡沫镁的管、带、片材工业生产中泡孔质量难以控制的技术难题，提供一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法。特别是提供一种利于工业规模生产管、带、片材和成本低的制备方法。

本发明所基于的主要原理是：金属镁在高温下化学活泼性强，易于同膨化珍珠岩发生化学反应而部分或全部烧毁珍珠岩颗粒，在珍珠岩颗粒表面涂覆一些隔离剂，用部分或全部隔离固-液反应界面的方法，减小或全部消除主反应SiO₂+4Mg→Mg₂Si+2MgO的发生。当隔离剂为合适的碳酸盐时，如碳酸稀土RE₂(CO₃)₃粉末，高温下碳酸盐分解，有反应RE₂(CO₃)₃→RE₂O₃+3CO₂↑发生，所生成的CO₂的瞬间膨胀，使得液态镁和珍珠岩颗粒表面被膨胀出一定的间隙，形成本发明所期望的“特定结构”。另外，CO₂可以与镁在高温下反应，既：2Mg+CO2→2MgO+C；本反应生成的MgO壁膜，可以增加镁合金内孔的强度。

本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料是将膨胀珍珠岩复合到纯镁或镁合金中所形成的具有特定结构的闭孔或通孔轻体金属-珍珠岩泡沫复合材料，是采取如下的技术方案实现的：

一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：以市售纯度为99.5％以上的AZ91镁合金锭为合金原料；以市售国产膨胀珍珠岩为本发明的另一主体原料，若用开孔膨胀珍珠岩颗粒，其粒度区间V_p为：8-60目；若用球形闭孔膨胀珍珠岩，其粒度区间V_p为：40目～80目；以市售纯度为99.8％的铝粉、碳酸钙粉或碳酸稀土粉与聚乙烯醇为反应界面隔离剂的原料，其中聚乙烯醇为粘合剂；用上述的至少为200目的铝粉、至少为200目的碳酸钙粉或至少为200目的碳酸稀土粉，分别与聚乙烯醇稀溶液调制出铝粉浆、碳酸钙粉浆或碳酸稀土粉浆；将上述的一种粉浆或其中二者混合粉浆喷洒在膨胀珍珠岩颗粒表面，热风烘干，得到表面含有铝粉、碳酸钙粉、碳酸稀土粉或其中二者混合粉的膨胀珍珠；喷洒在膨胀珍珠岩表面的铝粉、碳酸钙粉、碳酸稀土粉或者二者混合粉的重量为膨胀珍珠岩重量的1％～4％；将上述喷洒过粉料的膨胀珍珠岩颗粒，放到吸铸模具中，用震动法调整颗粒间隙以调整透气度，开动机械真空泵使得真空罐真空度达到0.06Pa；将AZ91镁合金加热熔化，温度控制在670℃～750℃，镁合金液体与吸铸口连接，打开真空手阀开始吸铸，通过真空手阀控制吸铸的合金液面推进速度为0.05m/s-0.5m/s，吸铸完成，冷却脱模，得到镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。

本发明的制备方法显著优点在于：工艺简单，生产管、带、片材容易，对模具的磨损小，设备折旧成本低，易于工业大规模生产。

附图说明：

图1是本发明用开孔膨化珍珠岩所制备出的复合材料样品横向的截面图。

图2是本发明膨胀珍珠岩复合到AZ91镁合金中所形成特定结构的一个单孔内部放大图。

具体实施方式：

实施例1：

用200目的铝粉与聚乙烯醇稀溶液调制出铝粉浆，将该铝粉浆喷涂到粒度区间V_p为14目-40目的开孔膨胀珍珠岩颗粒表面上，热风烘干，喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的铝粉的重量为膨胀珍珠岩的重量为1.5％，再将表面含有铝粉的膨胀珍珠颗粒放到真空吸铸模具中，用震动法调整颗粒间隙以调整透气度，开动真空泵使得真空罐真空度达到0.06Pa。将AZ91镁合金加热熔化，温度T_c控制在670℃±5℃，合金液体与吸铸口连接，打开真空手阀开始吸铸，通过真空手阀的大小控制吸铸速度，吸铸合金液面行进速度V_c控制在0.05m/s，吸铸完成后冷却脱模，即获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。用浮力法测定该复合材料密度ρ为1.43g/cm³；用万能实验机测定该复合材料压缩性能，其压缩强度最大值σ_max为138MPa，屈服强度σ_y为33MPa。

实施例2：

V_p＝14目～24目；喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的铝粉的重量为膨胀珍珠岩的重量的4％；T_c＝750℃±5℃；V_c＝0.5m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，ρ＝1.18g/cm³；σ_max＝221MPa；σ_y＝78MPa。其余同实施例1。

实施例3：

在铝粉中混入等重量的碳酸钙粉；V_p＝8目～18目；喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的铝粉和碳酸钙粉混合粉的重量为开孔膨胀珍珠岩的重量的2％；T_c＝700℃±5℃；V_c＝0.1m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，ρ＝1.24g/cm³；σ_max＝179MPa；σ_y＝82MPa。其余同实施例1。

实施例4：

用富钇混合碳酸稀土代替铝粉，其中富钇混合稀土MY中稀土元素的组成为：Y＝88.2％，Er＝6.9％，Ho＝1.4％，Yb＝1.2％，其它稀土总和＝1.8％。用球形闭孔膨胀珍珠岩代替开孔膨胀珍珠岩。V_p＝40目～80目；喷洒在球形闭孔膨胀珍珠岩表面的富钇混合稀土粉的重量为膨胀珍珠岩的重量的2.5％；T_c＝720℃±5℃；V_c＝0.08m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，ρ＝1.15g/cm³；σ_max＝155MPa；σ_0.2＝64MPa。其余同实施例1。

实施例5：

用富钇混合碳酸稀土和等重量的碳酸钙粉的混合物代替纯富钇混合碳酸稀土。开孔膨胀珍珠岩的V_p＝40目～60目；喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的富钇混合碳酸稀土粉和碳酸钙粉的混合粉的重量为膨胀珍珠岩的重量的2.1％；T_c＝730℃±5℃；V_c＝0.06m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，ρ＝1.05g/cm³；σ_max＝147MPa；σ_y＝56MPa。其余同实施例4。

实施例6：

用富钇混合碳酸稀土和等重量的铝粉的混合物代替纯富钇混合碳酸稀土。V_p＝24目～40目；喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的富钇混合碳酸稀土粉和铝粉的混合粉的重量为开孔膨胀珍珠岩的重量的1.7％；T_c＝685℃±5℃；V_c＝0.09m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，获得的泡沫复合材料ρ＝1.09g/cm³；σ_max＝154MPa；σ_y＝48MPa。其余同实施例4。

实施例7：

用富钇混合碳酸稀土和等重量的碳酸钙粉的混合物代替纯富钇混合碳酸稀土。V_p＝18目～40目；喷洒在开孔膨胀珍珠岩表面的富钇混合碳酸稀土粉和碳酸钙粉的混合粉的重量为开孔膨胀珍珠岩的重量的2.6％；T_c＝715℃±5℃；V_c＝0.35m/s，获得本发明的镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。其中，ρ＝0.73g/cm³；σ_max＝96MPa；σ_y＝23MPa。其余同实施例4。

Claims

1、一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：以纯度为99.5％以上的AZ91镁合金锭为合金原料；以膨胀珍珠岩为另一主体原料，用开孔膨胀珍珠岩颗粒，其粒度区间V_p为：8-60目；以纯度为99.8％的铝粉、碳酸钙粉或碳酸稀土粉与聚乙烯醇为反应界面隔离剂的原料，其中聚乙烯醇为粘合剂；用上述的至少为200目的铝粉、至少为200目的碳酸钙粉或至少为200目的碳酸稀土粉，分别与聚乙烯醇稀溶液调制出铝粉浆、碳酸钙粉浆或碳酸稀土粉浆；将上述的一种粉浆或其中二者混合粉浆喷洒在膨胀珍珠岩颗粒表面，热风烘干，得到表面含有铝粉、碳酸钙粉、碳酸稀土粉或其中二者混合粉的膨胀珍珠；喷洒在膨胀珍珠岩表面的铝粉、碳酸钙粉、碳酸稀土粉或者二者混合粉的重量为膨胀珍珠岩重量的1％～4％；将上述喷洒过粉料的膨胀珍珠岩颗粒，放到吸铸模具中，用震动法调整颗粒间隙以调整透气度，开动机械真空泵使得真空罐真空度达到0.06Pa；将AZ91镁合金加热熔化，温度控制在670℃～750℃，镁合金液体与吸铸口连接，打开真空手阀开始吸铸，通过真空手阀控制吸铸的合金液面推进速度为0.05m/s-0.5m/s，吸铸完成，冷却脱模，获得镁合金-珍珠岩泡沫复合材料。

2.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用球形闭孔膨胀珍珠岩代替开孔膨胀珍珠岩，其粒度区间V_p为40目～80目。

3.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用开孔膨胀珍珠岩的粒度区间V_p为8目～18目。

4.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用开孔膨胀珍珠岩的粒度区间V_p为14目-40目。

5.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：所述的用开孔膨胀珍珠岩，其粒度区间V_p为14目～24目。

6.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用开孔膨胀珍珠岩的粒度区间V_p为18目～40目。

7.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用开孔膨胀珍珠岩的粒度区间V_p为24目～40目。

8.如权利要求1所述的一种镁合金-珍珠岩泡沫复合材料的制备方法，其特征在于：用开孔膨胀珍珠岩的粒度区间V_p为40目～60目。