CN109207783A - 一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法 - Google Patents

一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法 Download PDF

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Abstract

一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，包括以下步骤：准备原料：将纯铝锭和纯硅锭按照质量百分比进行配料，引入酚醛树脂，将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热熔化，除去铝液表面杂质，加入覆盖剂，保温；保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温搅拌，加入打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀，用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温；待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件；本发明起到在较低温度下原位合成Al4SiC4，反应时间短，能够有效降低能源消耗的作用。

Description

一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法
技术领域
本发明涉及合成Al4SiC4颗粒技术领域，特别涉及一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法。
背景技术
Al-Si-C系统包括多种三元化合物，可以用一个同式表达为(Al4C3)m(SiC)n，其中：m＝1和2；n＝1、2、3、4。目前已发现的Al-Si-C系统化合物有Al4SiC4、Al4Si2C5、Al4Si4C7、Al4Si3C6和Al8SiC7。其中，Al4SiC4(硅碳化铝)是最具有潜在利用价值的一种三元化合物，被研究的最多。Al4SiC4熔点为2037℃，晶体密度为3.03g·cm-3，具有六方晶格。
Al4SiC4具有的高熔点、高硬度、高化学稳定性，在潮湿环境中具有明显化学惰性，很难与水反应形成非晶态Al(OH)3引起体积膨胀。低的热膨胀系数以及非常优异的抗氧化和抗水化性能，使其成为一种待开发的，很有前途的结构材料和高性能耐火材料。
Al4SiC4的合成与制备方法有固相烧结法(SSR)、化学气相沉积-固相反应烧结法(CVD-SSR)、热压烧结法、渗透法、机械合金化法(MA)等，这些方法合成Al4SiC4其烧结温度都很高在1400℃以上，其中SSR法为1600℃保温10h，CVD-SSR法为1400℃～1500℃保温1h，热压烧结法为1800℃～1900℃压力25MPa，渗透法为1500℃～1600℃，MA法为1427℃～1470℃。、
现有的合成Al4SiC4需要在1400℃以上。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，通过设计一种新的合成工艺，熔铸法在铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4，起到在较低温度下原位合成Al4SiC4，反应时间短，能够有效降低能源消耗的作用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，包括以下步骤：
步骤一：
清理并预热实验所用钢制器件，对铸造过程中所用的钢制模具、除杂漏勺、除气操作的钢制喷嘴及模具等进行除锈、砂轮打磨和酒精清洗，并放入120℃电阻炉中进行加热干燥1h，取出冷却后安装氩气除气喷嘴；清理石墨坩埚，将表面脱落的杂质除去并进行烘干除水；
步骤二：
准备原料：将纯铝锭和纯硅锭按照质量百分比87～70：13～30进行配料，酚醛树脂的引入量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.6wt％～5wt％；
步骤三：
熔炼：将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热到850℃～900℃全部熔化后，除去铝液表面杂质，加入覆盖剂，保温10min；
步骤四：
原位合成Al4SiC4，保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温20min，保温结束搅拌5min后，加入打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，缓慢打开减压阀，让气体通入到石墨坩埚的底部，保持30秒左右，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀，用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温10分钟；
步骤五；
待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件；
步骤六
将完成的毛坯件放入整形模中进行整形处理，然后进行机械加工至符合产品的尺寸要求。
所述的纯铝锭和纯硅锭为纯度为99％。
所述的覆盖剂为金伊达铸造冶金材料有限公司购买的商用铝覆盖剂，含量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.5wt％
所述的打渣剂为金伊达铸造冶金材料有限公司购买的商用铝合金打渣剂，含量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.5wt％
所述的通过氩气阀通入的气体压强为压强0.4MPa。
本发明的有益效果：
本发明利用熔铸法原位低温合成Al4SiC4，首先按一定质量比进行称量，然后利用熔铸法在铝硅合金中引入酚醛树脂作为碳源，原位低温合成了Al4SiC4。由于合成工艺简单、合成过程易于控制，成本较低，显著降低了合成温度，减小了能源消耗，拓宽了该材料的合成温度范围。
附图说明
图1原位熔铸法在铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4的X射线衍射图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
(1)清理并预热实验所用钢制器件。对铸造过程中所用的钢制模具、除杂漏勺、除气操作的钢制喷嘴及模具等进行除锈、砂轮打磨和酒精清洗，并放入120℃电阻炉中进行加热干燥1h，取出冷却后安装氩气除气喷嘴；清理石墨坩埚，将表面脱落的杂质除去并进行烘干除水。
(2)将纯铝锭(99％)和纯硅锭(99％)按照质量百分比87：13进行配料，酚醛树脂的引入量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.6wt％。
(3)将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热到850℃～900℃全部熔化后，除去铝液表面杂质，加入0.5wt％覆盖剂，保温10min。
(4)保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温20min。保温结束搅拌5min后，加入0.5wt％打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，缓慢打开减压阀，让气体通入到石墨坩埚的底部，保持30秒左右，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀。用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温10分钟。
(5)待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件。
(6)将完成的毛坯件放入整形模中进行整形处理，然后进行机械加工至符合产品的尺寸要求
实施例2
(1)清理并预热实验所用钢制器件。对铸造过程中所用的钢制模具、除杂漏勺、除气操作的钢制喷嘴及模具等进行除锈、砂轮打磨和酒精清洗，并放入120℃电阻炉中进行加热干燥1h，取出冷却后安装氩气除气喷嘴；清理石墨坩埚，将表面脱落的杂质除去并进行烘干除水。
(2)将纯铝锭(99％)和纯硅锭(99％)按照质量百分比81：19进行配料，酚醛树脂的引入量为纯铝锭和纯硅锭总质量的1.5wt％。
(3)将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热到850℃～900℃全部熔化后，除去铝液表面杂质，加入0.5wt％覆盖剂，保温10min。
(4)保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温20min。保温结束搅拌5min后，加入0.5wt％打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，缓慢打开减压阀，让气体通入到石墨坩埚的底部，保持30秒左右，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀。用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温10分钟。
(5)待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件。
(6)将完成的毛坯件放入整形模中进行整形处理，然后进行机械加工至符合产品的尺寸要求
实施例3
(1)清理并预热实验所用钢制器件。对铸造过程中所用的钢制模具、除杂漏勺、除气操作的钢制喷嘴及模具等进行除锈、砂轮打磨和酒精清洗，并放入120℃电阻炉中进行加热干燥1h，取出冷却后安装氩气除气喷嘴；清理石墨坩埚，将表面脱落的杂质除去并进行烘干除水。
(2)将纯铝锭(99％)和纯硅锭(99％)按照质量百分比70：30进行配料，酚醛树脂的引入量为纯铝锭和纯硅锭总质量的5wt％。
(3)将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热到850℃～900℃全部熔化后，除去铝液表面杂质，加入0.5wt％覆盖剂，保温10min。
(4)保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温20min。保温结束搅拌5min后，加入0.5wt％打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，缓慢打开减压阀，让气体通入到石墨坩埚的底部，保持30秒左右，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀。用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温10分钟。
(5)待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件。
(6)将完成的毛坯件放入整形模中进行整形处理，然后进行机械加工至符合产品的尺寸要求。
如图1所示：从图1可以看出在较低合成温度850～900℃时，有Al4SiC4的衍射峰，证明成功合成出了Al4SiC4物相。
在铝硅合金中引入酚醛树脂作为碳源通过熔铸的方法，可以在较低温度下原位合成Al4SiC4，反应时间短，能够有效降低能源消耗，且因Al4SiC4是原位合成所以无界面污染，因此铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒具有重要的应用前景，受到了广泛关注。
能够在850～900℃合成，是因为酚醛树脂是高分子有机聚合物，在铝液中受热裂解后，会分解出具有高活性的碳作为碳源，高活性碳原子会迅速和铝液(混合液)中的铝原子、硅原子反应合成Al4SiC4。

Claims (5)

1.一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：
清理并预热实验所用钢制器件，对铸造过程中所用的钢制模具、除杂漏勺、除气操作的钢制喷嘴及模具等进行除锈、砂轮打磨和酒精清洗，并放入120℃电阻炉中进行加热干燥1h，取出冷却后安装氩气除气喷嘴；清理石墨坩埚，将表面脱落的杂质除去并进行烘干除水；
步骤二：
准备原料：将纯铝锭和纯硅锭按照质量百分比87～70：13～30进行配料，酚醛树脂的引入量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.6wt％～5wt％；
步骤三：
熔炼：将纯铝锭和纯硅锭放入中频感应金属熔炼炉内的石墨坩埚中加热到850℃～900℃全部熔化后，除去铝液表面杂质，加入覆盖剂，保温10min；
步骤四：
原位合成Al4SiC4，保温结束后，用钟罩向铝液与硅液的混合溶液中压入酚醛树脂，保温20min，保温结束搅拌5min后，加入打渣剂，将氩气喷嘴深入到铝合金熔体中，缓慢打开减压阀，让气体通入到石墨坩埚的底部，保持30秒左右，然后逐渐提高喷嘴位置，直到其完全离开熔体，关闭氩气阀，用钢制漏勺除去熔体表面浮渣后，保温10分钟；
步骤五；
待温度降至750℃时，进行浇铸，得到铸件；
步骤六
将完成的毛坯件放入整形模中进行整形处理，然后进行机械加工至符合产品的尺寸要求。
2.根据权利要求1所述的一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，其特征在于，所述的纯铝锭和纯硅锭为纯度为99％。
3.根据权利要求1所述的一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，其特征在于，所述的覆盖剂为金伊达铸造冶金材料有限公司购买的商用铝覆盖剂，含量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.5wt％。
4.根据权利要求1所述的一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，其特征在于，所述的打渣剂为金伊达铸造冶金材料有限公司购买的商用铝合金打渣剂，含量为纯铝锭和纯硅锭总质量的0.5wt％。
5.根据权利要求1所述的一种铝硅合金中低温原位合成Al4SiC4陶瓷颗粒的方法，其特征在于，所述的通过氩气阀通入的气体压强为压强0.4MPa。
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