專利名稱：Mg-Si二元合金制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過物理冶金法制備高硅含量的Mg-Si二元合金。本發(fā)明利用石英粉、廢舊石英玻璃小塊、價(jià)格低廉的石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃碎塊等含SiO2成分的原材料與鎂液反應(yīng)來制備Mg-Si二元合金。該方法實(shí)施簡單、制備出的材料硅含量高、Mg2Si分布均勻、共晶產(chǎn)物(α-Mg+Mg2Si)體積分?jǐn)?shù)較大、成本低而且成品率高。利用該方法能獲得較高Si含量的Mg-Si二元合金。高Si含量的Mg-Si二元合金可進(jìn)一步用于配制含Si的鎂合金，也可以通過該原理，配制含Si的鎂合金復(fù)合材料，這樣就可以解決長期以來在不含Al的鎂合金中添加Si的難點(diǎn)。
本發(fā)明的目的可通過下述技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn) 本發(fā)明是利用原料中的SiO2與鎂熔液反應(yīng)，利用鎂原子將SiO2中的Si原子置換出來2Mg(L)+SiO2(S)→2MgO(S)+[Si](1) 置換出來硅原子進(jìn)一步與鎂原子反應(yīng)，生成Mg2Si相 2Mg(L)+[Si]→Mg2Si(S)(2) 完整的反應(yīng)方程式為 4Mg(L)+SiO2(S)→2MgO(S)+Mg2Si(S)(3) 本發(fā)明的Mg-Si二元合金的制備方法包括以下步驟 a、熔化鎂錠將鎂錠放入坩堝中，加熱至熔化；并采用氣體或溶劑保護(hù)Mg熔液，以防止Mg熔液燃燒；其熔煉溫度范圍控制在700～730℃； b、添加原料將SiO2含量＞65％的原料緩慢、持續(xù)加入鎂熔體中，在添加過程中不斷使用石墨或低碳鋼工具攪拌熔體，并使鎂液與原料中的SiO2完全發(fā)生反應(yīng)，使原料顆粒與鎂液充分接觸； c、原料中的SiO2與鎂液發(fā)生劇烈的冶金化學(xué)反應(yīng)，生成疏松的MgO和分布于鎂液中的Mg2Si相； d、在反應(yīng)過程中疏松的MgO會(huì)上浮在熔體表面，完全反應(yīng)后將上浮于熔體表面的MgO熔渣除去，澆鑄到模具中得到Mg-Si二元合金。
本發(fā)明中所述的溶劑為公知技術(shù)中的RJ-2型熔煉劑或其它熔煉鎂合金用的溶劑；所述的保護(hù)氣體為CO2+SF6混合氣體或惰性氣體或其它常用的熔煉鎂合金的保護(hù)氣體。
本發(fā)明中所述的SiO2含量＞65％的原料包括石英粉、廢舊石英玻璃、價(jià)格低廉的石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃碎塊中的任意一種；其中所述石英粉的SiO2含量＞99.9％，石英玻璃渣的SiO2含量＞99.8％，石英砂的SiO2含量＞99.5％，普通Na-Ca-Si窗玻璃渣的SiO2含量≥70％、Na2O≈15％、CaO≈9％、其它≤6％。
本發(fā)明中所述鎂錠與SiO2含量＞65％的原料質(zhì)量比為4.5～6.5∶1 本發(fā)明的制備方法相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果 1)方法簡單，操作方便與現(xiàn)有技術(shù)的第一種方法相比。本發(fā)明不要高溫下長時(shí)間保溫；與現(xiàn)有技術(shù)的第二種方法相比，不需要制備Al-Si中間合金。
2)與現(xiàn)有技術(shù)的第一種方法相比，降低了熔體溫度。本發(fā)明利用冶金化學(xué)反應(yīng)制備Mg-Si二元合金，不需要高溫下長時(shí)間保溫通過原子擴(kuò)散得到Mg2Si相。因此，可以節(jié)省能源，防止Mg液燃燒。
3)與現(xiàn)有技術(shù)的第一種方法相比，原料損失率低。利用SiO2與鎂液反應(yīng)生成Mg2Si相能最大限度地利用原料中的SiO2來生成Mg2Si，因此，可大大節(jié)省原料。
4)與現(xiàn)有技術(shù)的第二種方法相比，不會(huì)引入鋁等附加元素。利用SiO2與鎂液反應(yīng)，最終生成物為固態(tài)疏松MgO和Mg2Si相，疏松的MgO顆粒會(huì)上浮到熔體表面，將其去除后可得到高質(zhì)量的Mg-Si合金。另外，如果利用含有NaO2和CaO的鈉鈣玻璃作為提供SiO2原料時(shí)，NaO2和CaO等會(huì)以雜質(zhì)形式附在坩堝底部或坩堝壁，不會(huì)以雜質(zhì)形式存在于Mg-Si合金中。
5)可制備硅含量較高的Mg-Si合金。利用Mg與SiO2的化學(xué)反應(yīng)來制備Mg-Si合金，Si元素可以在原子級別上與鎂原子接觸，生成Mg2Si相，Si的吸收率更高，最終制備的Mg-Si合金可實(shí)現(xiàn)較高的Si含量，并且質(zhì)量穩(wěn)定。
6)降低生產(chǎn)成本。與單質(zhì)硅相比，石英粉、碎石英玻璃價(jià)格為單質(zhì)硅的1/10；石英砂和普通Na-Ca-Si窗玻璃渣價(jià)格更為低廉。而且這些原料材料供應(yīng)充足。



圖1是石英玻璃粉或石英粉為原料制備出的鎂硅合金的金相照片(硅含量為10wt.％)。
圖2是以石英砂為原料制備出的鎂硅合金的金相照片(硅含量為15wt.％。
圖3是以鈉鈣硅玻璃粉為原料制備出的鎂硅合金的金相照片(硅含量為15wt.％)。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明以下將結(jié)合實(shí)施例作進(jìn)一步詳述，但并不限制本發(fā)明。
本發(fā)明使用含SiO2的原料制備Mg-Si二元合金，其中所述的含SiO2的原料包括石英粉、廢舊石英玻璃、價(jià)格低廉的石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃碎塊中的任意一種；其中所述石英粉的SiO2含量＞99.9％，石英玻璃渣的SiO2含量＞99.8％，石英砂的SiO2含量＞99.5％，普通Na-Ca-Si窗玻璃渣的SiO2含量≥70％、Na2O≈15％、CaO≈9％、其它≤6％。該方法包括以下步驟 原料準(zhǔn)備若使用石英粉或石英砂作為SiO2的原料，可直接稱量。如果要使用石英玻璃渣或普通Na-Ca-Si窗玻璃渣作為SiO2的原料，需要將石英玻璃渣或普通Na-Ca-Si窗玻璃渣放入去離子水或酒精中，然后使用超聲波清除玻璃表面污漬。超聲波清洗后，將石英或普通Na-Ca-Si窗玻璃渣放到干燥箱中干燥，干燥溫度為100℃，干燥時(shí)間為1～2小時(shí)。
熔化鎂錠將熔煉坩堝放入電阻爐中，緩慢升溫至680℃。待溫度穩(wěn)定后將備好的鎂錠放入坩堝中，然后將控溫溫度調(diào)至720℃；鎂錠用保護(hù)氣體或者覆蓋劑保護(hù)，防止熔體燃燒；氣體保護(hù)可使用CO2+0.6vol.％SF6混合氣體、使用高純氬氣或其它保護(hù)氣體保護(hù)，保護(hù)氣體通入加熱爐前可利用氟化鈣將氣體中的水蒸氣脫去；覆蓋劑保護(hù)時(shí)將保護(hù)劑顆粒輕撒在熔體表面，使其均勻鋪展。
添加SiO2原料鎂液溫度升高至控溫點(diǎn)時(shí)，將含SiO2的原料緩慢加入到熔體中，并在添加過程中不斷使用石墨或低碳鋼工具攪拌熔體，使原料進(jìn)入鎂液中與鎂原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于SiO2和熔體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會(huì)有部分鎂液反應(yīng)生成Mg2Si和MgO，在不斷的攪拌過程中，MgO會(huì)上浮在熔體表面，此時(shí)，使用石墨或低碳鋼勺子將MgO從坩堝中去除，最后將合金熔液澆鑄到模具中。
實(shí)施例1 使用鎂錠(純鎂)和石英粉制備Mg-Si二元合金。
鎂錠和石英粉按質(zhì)量比為5∶1稱量。
將鎂錠放入到680℃的坩堝中，采用RJ-2型覆蓋劑或CO2+0.6vol.％SF6混合氣體或使用高純氬氣或其它保護(hù)氣體保護(hù)，熔化到720℃；然后將石英粉逐步加入到鎂液中，同時(shí)用石墨棒攪拌熔體，使石英粉混入鎂液中，與鎂液充分反應(yīng)。
待石英粉與鎂液完全反應(yīng)后，使用低碳鋼勺子將MgO熔渣從坩堝中去除，最后將合金熔體澆入模具中得到Mg-Si二元合金。
EDS分析表明，可以配制Si含量≥5.92wt.％的Mg-Si二元合金。金相照片如圖1所示。
實(shí)施例2 利用鎂錠(純鎂)和碎石英玻璃渣制備Mg-Si二元合金。
將收集到的碎石英玻璃進(jìn)一步粉碎成粒度＜2mm的顆粒，然后用超聲波清洗，以去除表面污漬，將清洗后的碎石英玻璃粉放入干燥箱中，在100℃烘干1～2小時(shí)，去除殘留的水分，最后將純鎂和碎石英玻璃按質(zhì)量比為5∶1稱量； 將鎂錠放入到680℃的坩堝中，采用RJ-2型覆蓋劑或CO2+0.6vol.％SF6混合氣體或使用高純氬氣或其它保護(hù)氣體保護(hù)，熔化到720℃；然后將碎石英玻璃粉逐步加入到鎂液中，同時(shí)用石墨棒攪拌熔體，使碎石英玻璃粉混入鎂液中，與鎂液充分反應(yīng)； 待碎石英玻璃粉與鎂液完全反應(yīng)后，使用低碳鋼勺子將MgO熔渣從坩堝中去除，最后將合金熔體澆入模具中得到Mg-Si二元合金。
EDS分析表明，Mg-Si二元合金中Si含量≥5.92～20wt.％。金相照片如圖1所示。
實(shí)施例3 使用鎂錠(純鎂)和石英砂制備Mg-Si二元合金。
將鎂錠(純鎂)和石英砂按質(zhì)量比為5∶1稱量； 將鎂錠放入到680℃的坩堝中，采用RJ-2型覆蓋劑或CO2+0.6vol.％SF6混合氣體或使用高純氬氣或其它保護(hù)氣體保護(hù)，熔化到720℃。然后將石英砂逐步加入到鎂液中，同時(shí)用石墨棒攪拌熔體，使石英砂混入鎂液中，與鎂液充分反應(yīng)。
待石英砂與鎂液完全反應(yīng)后，使用低碳鋼勺子將MgO熔渣從坩堝中去除。最后將合金熔體澆入模具中得到Mg-Si二元合金。
EDS分析表明，Mg-Si二元合金中Si含量≥4.72～20wt.％。金相照片如圖2所示。
實(shí)施例4 使用鎂錠(純鎂)和普通Na-Ca-Si窗玻璃渣制備Mg-Si二元合金。
將備好的普通Na-Ca-Si窗玻璃片進(jìn)一步粉碎成粒度＜2mm的顆粒，然后分批放入去離子水中，用超聲波清洗10～20分鐘，去除表面污漬，將清洗后的普通Na-Ca-Si窗玻璃渣放入干燥箱中，在100℃烘干1～2小時(shí)以去除殘留的水分，最后將純鎂和碎玻璃渣按質(zhì)量為6∶1稱量。
將鎂錠放入到680℃的坩堝中，采用RJ-2型覆蓋劑或CO2+0.6vol.％SF6混合氣體或使用高純氬氣或其它保護(hù)氣體保護(hù)，熔化到720℃。然后將石英砂逐步加入到鎂液中，同時(shí)用石墨棒攪拌熔體，使石英砂混入鎂液中，與鎂液充分反應(yīng)。
待石英砂與鎂液完全反應(yīng)后，使用低碳鋼勺子將MgO熔渣從坩堝中去除。最后將合金熔體澆入模具中得到Mg-Si二元合金。
EDS分析表明，Mg-Si二元合金中Si含量≥2.83～15wt.％。金相照片如圖3所示。
權(quán)利要求
1、一種Mg-Si二元合金制備方法，其特點(diǎn)在于該方法包括以下步驟
a、熔化鎂錠將鎂錠放入坩堝中，加熱至熔化；并采用氣體或溶劑保護(hù)Mg熔液，以防止Mg熔液燃燒；其熔煉溫度范圍控制在700～730℃；
b、添加原料將SiO2含量＞65％的原料緩慢、持續(xù)加入鎂熔體中，在添加過程中不斷使用石墨或低碳鋼工具攪拌熔體，并使鎂液與原料中的SiO2完全發(fā)生反應(yīng)，使原料顆粒與鎂液充分接觸；
c、原料中的SiO2與鎂液發(fā)生劇烈的冶金化學(xué)反應(yīng)，生成疏松的MgO和分布于鎂液中的Mg2Si相；
d、在反應(yīng)過程中疏松的MgO會(huì)上浮在熔體表面，完全反應(yīng)后將上浮于熔體表面的MgO熔渣除去，澆鑄到模具中得到Mg-Si二元合金。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Si二元合金制備方法，其特征在于所述的溶劑為商業(yè)RJ-2型熔煉劑或其它熔煉鎂合金用的溶劑。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Si二元合金制備方法，其特征在于所述的保護(hù)氣體為CO2+SF6混合氣體或惰性氣體或其它常用的熔煉鎂合金的保護(hù)氣體。
4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Si二元合金制備方法，其特征在于所述的SiO2含量＞65％的原料包括石英粉、廢舊石英玻璃、價(jià)格低廉的石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃碎塊中的任意一種。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的Mg-Si二元合金制備方法，其特征在于所述石英粉的SiO2含量＞99.9％，石英玻璃渣的SiO2含量＞99.8％，石英砂的SiO2含量＞99.5％，普通Na-Ca-Si窗玻璃渣中的SiO2含量≥70％、Na2O≈15％、CaO≈9％、其它≤6％。
6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的Mg-Si二元合金制備方法，其特征在于所述鎂錠與SiO2含量＞65％的原料質(zhì)量比為4.5～6.5∶1。
全文摘要
一種Mg-Si二元合金制備方法，其特點(diǎn)在于該方法利用石英粉、廢舊石英玻璃塊、價(jià)格低廉的石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃碎塊制備高硅含量的Mg-Si二元合金。通過冶金反應(yīng)，用Mg將存在于石英粉、石英砂或普通Na-Ca-Si窗玻璃渣中以SiO2化合物形式存在的Si原子置換出來，Si原子通過進(jìn)一步與鎂液反應(yīng)，生成Mg2Si相，從而制備出高硅含量的Mg-Si二元合金。這種高Si含量的Mg-Si二元合金可進(jìn)一步用于配制含Si的鎂合金，也可以通過該原理，配制含Si的鎂合金復(fù)合材料，這樣就可以解決長期以來在不含Al的鎂合金中添加Si的難點(diǎn)。
文檔編號C22C1/02GK101643861SQ20091006600
公開日2010年2月10日 申請日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者郭學(xué)鋒, 楊文朋, 陳思杰, 柳曉婷 申請人:河南理工大學(xué)