一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法

专利名称：一种利用回收的硅粉制备Mg₂Si/Mg复合材料的方法
一种利用回收的硅粉制备l^2Si/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。
技术背景
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°C)、低密度(1.99g/cm3)、高硬度(HV460)、低热膨胀系数 (7. 5 X 10- -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 =(I)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。O)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，细小均勻分布圆形的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M&Si/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+0)2混合的气体保护，其中10%的SF6 和90%的C02，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°C 400°C ；
(b)、将300 420g镁合金AZ91D放入井式炉中加热，同时通入SF6+0)2混合的气体保护，其中10%的SF6和90%的CO2，加热1 3小时至750°C 1100°C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°C，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 2wt%釙元素用铝箔包裹后，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°C 800°C，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°C 400°C，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%, Mg04. 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°C保温20 25h，然后淬入20 30°C水中，最后在 200 250°C时效4 8h。
利用本发明的方法制备的M&Si/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. ISGPa而镁合金仅为44. SGPa ；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+0)2混合的气体保护，其中10%的SF6和90%的 C02，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°C ；
(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°C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°C 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°C，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°C，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M&Si/Mg复合材料中各成分的重量百分比含量为M&Si 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°C保温22h，然后淬入水中，最后在200°C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+0)2混合的气体保护，其中10%的SF6和90%的 C02，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°C ；
(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°C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°C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°C，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°C，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α全口巫ο
(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°C保温23h，然后淬入20°C水中，最后在220°C时效证。
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+0)2混合的气体保护，其中10%的SF6和90%的 C02，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°C ；
(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°C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°C 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lOmin，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°C，停止搅拌，将熔体浇于预热温度为200°C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M&Si 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°C保温20h，然后淬入水中，最后在240°C时效几。
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+C02，10%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°C ；
(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°C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°C 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°C，停止搅拌，将熔体浇于预热的金属型中，预热温度100°c，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°C保温25h，然后淬入30°C水中，最后在250°C时效他。
权利要求
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(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°C 400°C；(b)、将300 420g镁合金AZ91D放入井式炉中加热，同时通入SF6+0)2混合的气体保护，其中10%的SFf^P 90%的CO2，加热1 3小时至750°C 1100°C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°C，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. 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°C 800°C，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°C 400°C，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M&Si/Mg复合材料，Mg2Si/Mg复合材料中各成分的重量百分比含量为M&Si 3. 50% 5. 75%, Mg04. 15% 6. 45%，余量为 87. 80% 92. 为 A^l 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°C保温20 25h，然后淬入20 30°C水中，最后在200 250°C时效4 》1。
全文摘要
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。
文档编号C22C1/02GK102517489SQ20111045168
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者张建华, 张文波, 李进军, 杨春霞, 狄石磊, 王强, 邸建辉, 郭永亮, 高平 申请人:内蒙古五二特种材料工程技术研究中心