CN103990804B - 一种回收利用钢屑的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁材料，具体而言为涉及一种回收利用钢屑的方法。其原理是：利用铝屑在其液相线温度附近粘度较大的特点，在此温度将钢屑与铝屑压合在一起，并在压力作用下实现反应烧结，在烧结过程中钢与铝相互作用形成铁铝金属间化合物，钢屑表面的氧化物与铝反应生成氧化铝，最终形成致密的由钢颗粒、铁铝金属间化合物以及氧化铝组成的复合材料。

Description

一种回收利用钢屑的方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料，具体而言为涉及一种回收利用钢屑的方法。
背景技术
钢铁材料是目前应用最广的金属材料，其用量占到金属材料总量的90%以上。在将钢铁材料加工成零件的过程中，往往会形成大量的切屑，据统计全世界每年形成的钢屑可达3~4亿吨；目前钢屑的主要利用途径是进炉重新熔化加以回收，由于钢屑尺寸小，因此表面积很大，使其在重熔过程中非常容易氧化，目前的利用率大致为85~90%；另一方面，在铝合金材料的生产过程中，也会形成大量的铝屑。而铝屑目前常用的利用方法也是重熔回收，由于铝的化学活性较高，其有效利用率往往不高于70%。
Fe3Al金属间化合物同时含有Fe和Al，具有密度小、强度和弹性模量高、抗氧化、耐热腐蚀、耐磨损等特征，其资源丰富，成本低廉，是非常具有潜力的高温结构材料，适合于应用在高温耐磨的场合，如可以用于刹车盘等需要耐磨的零件；但是由于其室温脆性以及温度超过 600℃后材料强度急剧下降，Fe3Al 未能作为结构材料在工业界得到广泛应用，Fe3Al金属间化合物的工程应用在某种程度上主要取决于它的制造工艺，急冷凝固可以消除宏观偏析和晶界偏聚、细化晶粒、降低有序度，因此急冷凝固工艺已成为改善金属间化合物室温塑性的一种重要手段，如果能将钢屑和铝屑按Fe3Al金属间化合物的成分配比，制备成细晶的Fe3Al金属间化合物，则不仅能有效利用钢屑和铝屑，而且能够促进Fe3Al金属间化合物的实际应用。
因此，迫切需要提出新的工艺方法，能充分利用钢屑和铝屑，且加工工艺简单，可以有效改善金属间化合物的组织，从而保证制品质量轻、性能好。
发明内容
本发明提出一种回收利用钢屑的方法，其原理是：利用铝屑在其液相线温度附近粘度较大的特点，在此温度将钢屑与铝屑压合在一起，并在压力作用下实现反应烧结，在烧结过程中钢与铝相互作用形成铁铝金属间化合物，钢屑表面的氧化物与铝反应生成氧化铝，最终形成致密的由钢颗粒、铁铝金属间化合物以及氧化铝组成的复合材料。
一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：在压合模具的模腔底部加入一层加热到液相线温度附近的铝屑，然后加入一层经过预热的钢屑，并通过冲压头压合，冲压头抬起后再加入一层铝屑，重复上述步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度，将压合得到的材料在压合模具中保温一定时间后冷却到室温，即得到所需要的材料。
所述的压合模具，是指采用模具钢制作的最小壁厚为15~20mm的模具，模具的截面可以是方形或者圆形，尺寸根据实际需要确定。
所述的一层加热到液相线温度附近的铝屑，是指温度在液相线以下5~10℃的铝合金切屑，切屑平均尺寸为50~300μm，总杂质含量在1.0wt.%以下，每层铝屑的厚度为1.0~2.0mm。
所述的一层经过预热的钢屑，是指加热到铝屑液相线以下5~10℃的钢屑，钢屑平均尺寸为100~500μm，总杂质含量在1.0wt.%以下，每层钢屑的厚度为1.5~2.5mm。
所述的通过冲压头压合，是指通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为30~80MPa，保持时间为3~5s。
所述的保温一定时间，是指在铝屑液相线以下5~10℃保温4~6h。
所述的冷却到室温，是指以10~20℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温。
本发明方法在铝合金近液相线温度压合，成形温度低，铝合金流动性降低，在压力下能与铁粉有效结合，适合于制作形状简单且需要耐磨的零部件。
附图说明
图1为本发明获得的材料的显微组织。
具体实施方式
本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。
实施例 1
本实施例具体实施一种制备回收利用钢屑的方法，具体过程为：在采用模具钢制作的壁厚为15mm截面直径为100mm的压合模具模腔底部加入一层加热到605℃的ZL101A铝合金切屑，切屑平均尺寸为50μm，总杂质含量为0.8wt.%，铝屑厚度为1.0mm；然后加入一层加热到605℃的钢屑，钢屑平均尺寸为100μm，总杂质含量为0.9wt.%，钢屑厚度为1.5mm；接着通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为30MPa，保持时间为5s；冲压头抬起后再加入一层铝屑，重复上述步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度；将压合得到的材料在压合模具中在605℃保温4h，然后以20℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温，得到所需要的材料。
图1为本发明获得的材料的显微组织，图中黑灰色颗粒为钢颗粒，大片灰色部分为铁铝金属间化合物；从该图可以看出，本发明获得的材料组织细密。
实施例 2
本实施例具体实施一种制备回收利用钢屑的方法，具体过程为：在采用模具钢制作的壁厚为20mm截面尺寸为100mm×100mm的压合模具模腔底部加入一层加热到620℃的ZL102铝合金切屑，切屑平均尺寸为300μm，总杂质含量为0.9wt.%，铝屑厚度为2.0mm；然后加入一层加热到620℃的钢屑，钢屑平均尺寸为500μm，总杂质含量在0.9wt.%，钢屑厚度为2.5mm；接着通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为80MPa，保持时间为3s；冲压头抬起后再加入一层铝屑，重复上述步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度；将压合得到的材料在压合模具中在620℃保温6h，然后以10℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温，得到所需要的材料；材料的显微组织与图1类似。
实施例 3
本实施例具体实施一种制备回收利用钢屑的方法，具体过程为：在采用模具钢制作的壁厚为15mm截面直径为150mm的压合模具模腔底部加入一层加热到610℃的ZL101A铝合金切屑，切屑平均尺寸为100μm，总杂质含量为0.8wt.%，铝屑厚度为1.5mm；然后加入一层加热到610℃的钢屑，钢屑平均尺寸为200μm，总杂质含量在为0.7wt.%，钢屑厚度为2.0mm；接着通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为50MPa，保持时间为4s；冲压头抬起后再加入一层铝屑，重复上述步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度；将压合得到的材料在压合模具中在610℃保温5h，然后以15℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温，得到所需要的材料；材料的显微组织与图1类似。
实施例 4
本实施例具体实施一种制备回收利用钢屑的方法，具体过程为：在采用模具钢制作的壁厚为18mm截面为150mm×120mm的压合模具模腔底部加入一层加热到620℃的ZL102铝合金切屑，切屑平均尺寸为200μm，总杂质含量为0.9wt.%，铝屑厚度为1.6mm；然后加入一层加热到620℃的钢屑，钢屑平均尺寸为350μm，总杂质含量为0.8wt.%，钢屑厚度为2.2mm；接着通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为70MPa，保持时间为4.5s；冲压头抬起后再加入一层铝屑，重复上述步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度；将压合得到的材料在压合模具中在620℃保温5h，然后以16℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温，得到所需要的材料；材料的显微组织与图1类似。

Claims (5)

1.一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：在压合模具的模腔底部加入一层加热到液相线温度附近的铝屑，然后加入一层经过预热的钢屑，并通过冲压头压合，冲压头抬起后；重复加入铝屑、加入钢屑、冲压头压合、冲压头抬起的步骤直至在压合模具中得到的材料达到要求的厚度，将压合得到的材料在压合模具中保温一定时间后冷却到室温，即得到由钢颗粒、铁铝金属间化合物以及氧化铝组成的复合材料；
所述的一层加热到液相线温度附近的铝屑，是指温度在液相线以下5～10℃的铝合金切屑，切屑平均尺寸为50～300μm，总杂质含量在1.0wt.％以下，每层铝屑的厚度为1.0～2.0mm；所述的一层经过预热的钢屑，是指加热到铝屑液相线以下5～10℃的钢屑，钢屑平均尺寸为100～500μm，总杂质含量在1.0wt.％以下，每层钢屑的厚度为1.5～2.5mm。
2.如权利要求1所述的一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：所述的压合模具，是指采用模具钢制作的最小壁厚为15～20mm的模具，模具的截面为方形或者圆形，尺寸根据实际需要确定。
3.如权利要求1所述的一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：所述的通过冲压头压合，是指通过采用模具钢制作的冲压头对在压合模具模腔中的钢屑表面进行压合，压力为30～80MPa，保持时间为3～5s。
4.如权利要求1所述的一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：所述的保温一定时间，是指在铝屑液相线以下5～10℃保温4～6h。
5.如权利要求1所述的一种回收利用钢屑的方法，其特征在于：所述的冷却到室温，是指以10～20℃/min的速度对钢屑与铝屑的复合体进行冷却，直至温度降至室温。
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