CN102517489A

CN102517489A - 一种利用回收的硅粉制备Mg2Si/Mg复合材料的方法

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Publication number: CN102517489A
Application number: CN2011104516839A
Authority: CN
Inventors: 高平; 杨春霞; 狄石磊; 张文波; 郭永亮; 邸建辉; 张建华; 李进军; 王强
Original assignee: INNER MONGOLIA 52 SPECIAL MATERIAL ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTER
Current assignee: INNER MONGOLIA 52 SPECIAL MATERIAL ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTER
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102517489B

Abstract

本发明一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法，其特征是：将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，镁合金放入井式炉中加热，同时通入SF₆+CO₂混合的气体保护，加热1～3小时至750℃～1100℃使镁合金熔化，二氧化硅含量为70～75％工业粉尘硅粉放入水中硅粉用铝箔包裹加入，加入硅粉的重量百分比占镁合金重量.25％～5.75％；搅拌，使镁合金和硅粉充分反应；进行变质处理、自然降温，将熔体浇于预热的金属型中，预热温度100℃～400℃，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，即得本发明Mg₂Si/Mg复合材料，本发明采用工业粉尘硅粉作为硅源，通过搅拌铸造法实现镁和硅粉的原位化学反应，工艺方法简单，制备成本低，制备出的Mg₂Si/Mg复合材料性能优良的。

Description

一种利用回收的硅粉制备Mg2Si/Mg复合材料的方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及硅粉综合利用制备Mg₂Si/Mg复合材料。

背景技术

钢铁和原镁生产中需要大量使用硅铁，生产硅铁产生的粉尘行业上称为硅粉，主要成分是二氧化硅，被认为是一种工业废弃物，严重污染了环境，因而硅粉的回收以及资源化利用具有十分重要的意义，硅粉中的二氧化硅属于无定形物质，活性高、颗粒细小、比表面积大，具有优良的理化性能，因而世界上许多国家对硅粉的再利用进行了大量的研究。早在1947年挪威埃肯公司(ElkemASA)就开始进行微硅粉的生产技术、粉尘处理、分级和应用方面的研究，成为世界上最早开展微硅粉研发的企业，并始终在微硅粉收尘与处理技术上保持领先地位。之后，美国、俄罗斯、日本也开始进行研发应用，并成为微硅粉主要生产国。目前，硅粉年生产量为：美国30万t，俄罗斯7万t，娜威12万t，日本7万t。美国、俄罗斯、挪威等国均有微硅粉造球专利和制球设备。

我国对微硅粉的应用研究和回收利用起步较晚，近几年，由于国家对环保的重视，逐步加强了对污染企业的管理，特别是国内对高强混凝土需求的增加，许多铁合金生产企业配备了收尘设备，并开发、引进了加密技术。我国微硅粉产品发展迅速，在该领域与国外的差距逐步缩小。迫于节能减排的压力，汽车行业对镁合金的需求日趋迫切。由于镁合金存在强度不高(特别是高温强度)，刚度不足等弱点，目前镁合金主要应用于非结构件和非耐热件上，这极大地限制了镁合金在汽车行业的应用。由于含有高刚度和高强度的第二相颗粒，镁基复合材料具有高的刚度、良好的高温强度和抗蠕变能力，是汽车发动机的理想材料。由于Mg₂Si具有高熔点(1087℃)、低密度(1.99g/cm³)、高硬度(HV460)、低热膨胀系数(7.5×10^-6K^-1)和高弹性模量(120GPa)等优点，Mg₂Si颗粒增强镁基复合材料密度与镁合金相当，但具有更高的刚度、强度和抗蠕变能力，是汽车发动机的首选材料之一。在制备Mg₂Si增强镁基复合材料中，普遍使用结晶硅作为硅源。结晶硅材料是全球最主要的光伏材料，随着单晶硅和多晶硅在太阳能电池中广泛运用，硅原料紧缺的状况日益严重。成本是制约镁基复合材料在汽车上应用的最大障碍之一，在制备Mg₂Si增强镁基复合材料中如能用硅粉代替结晶硅，不仅可以实现硅粉的资源化利用，而且节约了日益昂贵的硅资源，具有重要的环保、资源和经济价值。

硅粉的回收以及资源化利用是国家大力扶持和提倡的项目。对硅粉的资源化利用目前还处于初级阶段，如何高附加值地利用硅粉是硅粉资源化利用的主要技术难点。

Mg₂Si增强镁基复合材料是汽车发动机的首选材料之一，目前面临的主要技术难点有二：(1)Mg₂Si增强镁基复合材料成本高：如何降低Mg₂Si增强镁基复合材料的成本是制约其应用的关键之一。(2)Mg₂Si增强镁基复合材料高温性能的最大化：Mg₂Si的形态和分布控制以及尺度的细化，细小均匀分布圆形的Mg₂Si可以最大化Mg₂Si增强镁基复合材料的高温强度和蠕变抗力。

发明内容：

本发明的目的是针对上述技术难点，利用回收的硅粉与镁合金进行反应，通过搅拌铸造的方法制备低成本高性能Mg₂Si增强镁基复合材料。硅粉颗粒和其中的杂质相可以起到异质形核中心的作用，在优化工艺下，实现对Mg₂Si的形态、分布和尺度的控制，从而达到优良的高温强度和蠕变抗力；利用工业粉尘硅粉作为反应剂，大幅度降低复合材料的制造成本的一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明采用工业粉尘硅粉作为硅源，通过搅拌铸造法实现镁和硅粉的原位化学反应，制备出了性能优良的Mg₂Si/Mg复合材料。

镁合金为AZ系列的镁合金，硅粉为工业粉尘硅粉，其中二氧化硅的含量为70％～75％，复合材料制备是在井式电阻炉中进行，采用SF₆+CO₂混合的气体保护，其中10％的SF₆和90％的CO₂，坩埚为钢制坩埚。

本发明一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法，其特征是：

(a)、将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，烘箱的温度设置为100℃～400℃；

(b)、将300～420g镁合金AZ91D放入井式炉中加热，同时通入SF₆+CO₂混合的气体保护，其中10％的SF₆和90％的CO₂，加热1～3小时至750℃～1100℃使镁合金熔化，用钢勺刮除表面杂质；

(c)将二氧化硅的含量为70％～75％工业粉尘硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后滤去水，放入烘干箱中，温度设定为70～85℃，烘干，硅粉用铝箔包裹加入步骤(b)中熔化的镁合金熔体中，加入的硅粉重量百分比为镁合金AZ91D2重量的2.5％～5.75％，搅拌10～60min，搅拌速度400rpm～900rpm，使镁合金和硅粉充分反应；

(d)、变质处理：将0.4wt％～2wt％Sb元素用铝箔包裹后，用钟罩压入上述步骤(c)熔体中，搅拌5min～40min；

(e)、自然降温：在降温过程中继续搅拌，冷却到650℃～800℃，停止搅拌，将步骤(d)中的熔体浇于预热的金属型中，金属型的预热温度100℃～400℃，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，Mg₂Si/Mg复合材料中各成分的重量百分比含量为：Mg₂Si：3.50％～5.75％，MgO4.15％～6.45％，余量为87.80％～92.35％AZ91镁合金；

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备好的Mg₂Si/Mg复合材料进行T6处理，以获得更高的性能，T6处理工艺为：400～440℃保温20～25h，然后淬入20～30℃水中，最后在200～250℃时效4～8h。

利用本发明的方法制备的Mg₂Si/Mg复合材料优点如下：

(1)利用了废弃的硅粉，一方面有利于环境保护，另一方面提升了废弃硅粉的再利用价值；

(2)制备的Mg₂Si/Mg复合材料性能特点是轻质高强，具有较高的弹性模量：55.18GPa而镁合金仅为44.8GPa；而且强度达到了同类复合材料的上限水平；

(3)该复合材料比镁合金具有更好的耐磨性；

(4)应用领域主要航空航天等需要轻质高强性能和耐磨性能的领域；

(5)制备方法简单。

具体实施方式

实施例1：

镁合金为AZ91D镁合金，硅粉为工业粉尘硅粉，其中二氧化硅的含量为70％，复合材料制备是在井式电阻炉中进行，采用SF₆+CO₂混合的气体保护，其中10％的SF₆和90％的CO₂，坩埚为钢制坩埚。

Mg₂Si/Mg复合材料的制备方法如下：

(a)、将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，烘箱的温度设置为400℃；

(b)、将AZ91D镁合金340g放入井式炉中加热，同时通入保护气体，加热2.5小时至950℃使镁合金熔化，用钢勺刮除表面杂质；

(c)、工业粉尘硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后滤去水，放入温度70℃烘干箱中烘干，将11.05g硅粉用铝箔包裹加入到镁合金熔体中，搅拌20min，搅拌速度400rpm，使镁合金和硅粉充分反应；

(d)、变质处理：将3.51gSb元素用铝箔包裹后，用钟罩压入上述步骤(c)的熔体中，搅拌5min；

(e)、自然降温：在降温过程中继续搅拌，冷却到650℃，停止搅拌，将步骤(d)中的熔体浇于预热的金属型中，预热预热温度400℃，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，制备的Mg₂Si/Mg复合材料中各成分的重量百分比含量为：Mg₂Si：4.50％、MgO：5.15％、其余为AZ91镁合金；

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备好的Mg₂Si/Mg复合材料进行T6处理，以获得更高的性能；T6处理工艺为：400℃保温22h，然后淬入24℃水中，最后在200℃时效4h。

实施例2：

镁合金为AZ91D镁合金，硅粉为工业粉尘硅粉，其中二氧化硅的含量为72％，复合材料制备是在井式电阻炉中进行，采用SF₆+CO₂混合的气体保护，其中10％的SF₆和90％的CO₂，坩埚为钢制坩埚。

Mg₂Si/Mg复合材料的制备方法如下：

(a)、将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，烘箱的温度设置为300℃；

(b)、将AZ91D镁合金380g放入井式炉中加热，同时通入保护气体，加热2小时至850℃使镁合金熔化，用钢勺刮除表面杂质；

(c)、工业粉尘硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后滤去水，放入烘干箱中，温度75℃烘干，将18.66g硅粉用铝箔包裹加入到镁合金熔体中，搅拌40min，搅拌速度900rpm，使镁合金和硅粉充分反应；

(d)、变质处理：将5.98gSb元素用铝箔包裹后，用钟罩压入熔体中，搅拌15min；

(e)、自然降温，在降温过程中继续搅拌，冷却到700℃，停止搅拌，将步骤(d)的熔体浇于预热的金属型中，预热温度300℃，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，制备的复合材料中各成分的重量百分比为：Mg₂Si：5.25％、MgO：5.87％，其余为AZ91镁合金。

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备好的Mg₂Si/Mg复合材料进行T6处理，以获得更高的性能；T6处理工艺为：410℃保温23h，然后淬入20℃水中，最后在220℃时效5h。

实施例3：

镁合金为AZ91D镁合金，硅粉为工业粉尘硅粉，其中二氧化硅的含量约74％，复合材料制备是在井式电阻炉中进行，采用SF₆+CO₂混合的气体保护，其中10％的SF₆和90％的CO₂，坩埚为钢制坩埚。

Mg₂Si/Mg复合材料的制备方法如下：

(a)、将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，烘箱的温度设置为200℃；

(b)、将AZ91D镁合金300g放入井式炉中加热，同时通入保护气体，加热1小时至750℃使镁合金熔化，用钢勺刮除表面杂质；

(c)、工业粉尘硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后滤去水，放入温度为80℃的烘干箱中烘干，将6.91g硅粉用铝箔包裹加入到镁合金熔体中，搅拌10min，搅拌速度750rpm，使镁合金和硅粉充分反应；

(d)变质处理：将1.23gSb元素用铝箔包裹后，用钟罩压入熔体中，搅拌25min；

(e)、自然降温，在降温过程中继续搅拌，冷却到750℃，停止搅拌，将熔体浇于预热温度为200℃的预热金属型中，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，制备的复合材料中个成分的重量百分比含量为：Mg₂Si：3.50％、MgO：4.15％、余量为AZ91镁合金；

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备好的Mg₂Si/Mg复合材料进行T6处理，以获得更高的性能，T6处理工艺为：420℃保温20h，然后淬入28℃水中，最后在240℃时效7h。

实施例4：

镁合金为AZ91D镁合金，硅粉为工业粉尘硅粉，其中二氧化硅的含量为75％，复合材料制备是在井式电阻炉中进行，采用SF₆+CO₂，10％的SF₆和90％的CO₂气体保护，坩埚为钢制坩埚。

Mg₂Si/Mg复合材料的制备方法如下：

(a)、将实验所需的坩埚放入烘箱中烘干，烘箱的温度设置为100℃；

(b)、将AZ91D镁合金420g放入井式炉中加热，同时通入保护气体，加热3小时至1100℃使镁合金熔化，用钢勺刮除表面杂质；

(c)、工业粉尘硅粉放入水中，除去水表面的漂浮物，然后滤去水，放入温度85℃为烘干箱中烘干，将25.62g硅粉用铝箔包裹加入到镁合金熔体中，搅拌60min，搅拌速度550rpm，使镁合金和硅粉充分反应；

(d)、变质处理：将8.91gSb元素用铝箔包裹后，用钟罩压入熔体中，搅拌40min；

(e)、自然降温，在降温过程中继续搅拌，冷却到800℃，停止搅拌，将熔体浇于预热的金属型中，预热温度100℃，在整个搅拌铸造过程中，须经常通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，制备的复合材料中各成分的重量百分比含量为：Mg₂Si：5.75％、MgO：6.45％、其余为AZ91镁合金；

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备好的Mg₂Si/Mg复合材料进行T6处理，以获得更高的性能；T6处理工艺为：440℃保温25h，然后淬入30℃水中，最后在250℃时效8h。

Claims

1.一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法，其特征是：

(e)、自然降温：在降温过程中继续搅拌，冷却到650℃～800℃，停止搅拌，将步骤(d)中的熔体浇于预热的金属型中，金属型的预热温度100℃～400℃，在整个搅拌铸造过程中，须持续通保护气体，防止镁暴露在空气中氧化，熔体在金属型中自然冷却到室温，即得到本发明的Mg₂Si/Mg复合材料，Mg₂Si/Mg复合材料中各成分的重量百分比含量为：Mg₂Si：3.50％～5.75％，MgO4.15％～6.45％，余量为87.80％～92.35％为AZ91镁合金；

(f)、热处理：将制备步骤(e)制备成的复合材料进行T6处理，以获得更高的性能，T6处理工艺为：400～440℃保温20～25h，然后淬入20～30℃水中，最后在200～250℃时效4～8h。