專利名稱：利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鋁或鋁合金的回收利用方法，具體而言為涉及一種利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法。
背景技術(shù)：
鋁合金零件切削加工時(shí)產(chǎn)生大量的鋁屑，通常切削加工鋁屑占零件總質(zhì)量的20%， 最高達(dá)30%左右，因此，有效地回收鋁合金零件機(jī)加工過(guò)程中的鋁屑可降低生產(chǎn)成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；目前，鋁屑回收利用的主要途徑是重熔利用一般是將鋁屑經(jīng)簡(jiǎn)單處理后直接加入鋁或鋁合金熔體中，鋁燒損大，鋁合金品質(zhì)明顯降低；先進(jìn)的鋁屑重熔處理生產(chǎn)線則相對(duì)比較復(fù)雜，主要由鋁屑粉碎機(jī)、刮板輸送機(jī)、鋁屑烘干回轉(zhuǎn)窯、磁選機(jī)、儲(chǔ)料斗與螺旋輸送機(jī)、側(cè)井式鋁屑熔化爐等設(shè)備組成，鋁屑處理生產(chǎn)線的工藝流程為生產(chǎn)前準(zhǔn)備工作——保溫室內(nèi)加底液——招屑前處理(包括粉碎、回轉(zhuǎn)窯內(nèi)烘干、磁選等)——招屑熔化與保溫——取樣分析——化學(xué)成分調(diào)整——攪拌——取樣分析——熔劑精煉——扒渣——放合金液——鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)包內(nèi)氮?dú)饩珶挕X液密度檢測(cè)——鑄造，生產(chǎn)過(guò)程中，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)溫度350°C，鋁屑得到烘干處理，烘干的回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的廢煙氣經(jīng)過(guò)除塵后排出；鐵類雜質(zhì)對(duì)于鋁屑的熔煉是十分有害的，鐵質(zhì)過(guò)多時(shí)會(huì)在鋁中形成脆性的金屬結(jié)晶體，從而降低鋁的力學(xué)性能，并減弱其抗蝕能力，因此通常通過(guò)磁選清除混入鋁屑的鋼鐵雜質(zhì)；統(tǒng)計(jì)表明，鋁屑與火焰直接接觸進(jìn)行鋁屑回收的燒損率高達(dá)10%，而采用上述先進(jìn)的生產(chǎn)線鋁屑燒損率可降低到5%以下，總之，目前的主要鋁屑回收利用方法存在鋁屑燒損嚴(yán)重、容易對(duì)鋁水產(chǎn)生污染、工藝處理難度增大等問(wèn)題，而且工藝復(fù)雜，降低了回收產(chǎn)品的品質(zhì)，今后發(fā)展的趨勢(shì)為工藝簡(jiǎn)單、成本低、利用率高。特別需要注意的是，在鋁液熔煉過(guò)程中，要盡量縮短鋁液的過(guò)熱時(shí)間和升溫時(shí)間，以免合金的吸氣和氧化。鋁屑由于尺寸細(xì)小，其比表面積大，所以氧化嚴(yán)重，也給回收利用造成了一定的困難，鋁是比較活潑的金屬，標(biāo)準(zhǔn)電位-1.66V，在空氣中能自然形成一層厚度約為0.01 0. 1 微米的氧化膜，這層氧化膜是非晶態(tài)的，薄而多孔，耐蝕性差，但是，研究表明，鋁140°C開(kāi)始氧化，300°C以上開(kāi)始生成Y-Al2O3，一直持續(xù)至515°C左右，從773°C開(kāi)始，Y-Al2O3轉(zhuǎn)變成 α-Al2O3'8000C W α-Al2O3開(kāi)始生長(zhǎng)，一直持續(xù)至1097°C，表面生成的α-Al2O3為納米級(jí)， 整個(gè)升溫過(guò)程中，鋁的氧化占主要地位，完全轉(zhuǎn)變?yōu)?^1203則需要到1100 12001以上。利用α -Al2O3顆?？梢耘c鋁形成α -Al2O3Al復(fù)合材料，可以顯著提高鋁及其合金的力學(xué)性能，如采用Al2 (SO4) 3反應(yīng)制備的Al2O3強(qiáng)化鋁基復(fù)合材料中，Al2O3強(qiáng)化相與鋁合金基體界面結(jié)合良好，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔團(tuán)聚、強(qiáng)化相集聚或偏析，克服了傳統(tǒng)攪拌鑄造中的常見(jiàn)缺陷，但是，從上面的分析可以看到，鋁的氧化物完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3需要到110(Tl20(rC 以上，這對(duì)于鋁的熔煉提出了非常苛刻的要求，而且這樣高的溫度下鋁的氧化也非常嚴(yán)重； 研究表明，超聲場(chǎng)在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，在交變聲場(chǎng)作用下形成空化泡，在聲場(chǎng)的振動(dòng)作用下，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，在隨后來(lái)臨的聲波正壓相內(nèi)，這些空化泡將以極高的速度閉合或者崩潰，空化泡崩潰的瞬間，泡內(nèi)聚集的能量迅速釋放出來(lái)，致使在空化發(fā)生的微小空間內(nèi)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫、高壓，即超聲空化，理論計(jì)算和實(shí)測(cè)結(jié)果均表明，保溫和高壓分別達(dá)到10 和IO9Pa,同時(shí)，超聲還將產(chǎn)生聲流效應(yīng)，超聲在液體中引起的聲流的加速度較大，可使聲流以較大的速度運(yùn)動(dòng)，可達(dá)流體熱對(duì)流速度的1(Γ103倍，高能超聲在液體介質(zhì)中能夠產(chǎn)生空化作用，產(chǎn)生局部高溫、高壓，可望在鋁合金熔體中形成局部高溫，并推動(dòng) Y-Al2O3 轉(zhuǎn)變成 α -Al2O3。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是利用高能超聲作用，在接近鋁合金通常熔煉溫度的條件下，將鋁或鋁合金切屑表面的Al2O3轉(zhuǎn)變成α -Al2O3，并使其均勻分布在鋁合金中，形成顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，在提高材料性能的同時(shí)提高鋁屑的回收率。本發(fā)明提出利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是 將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通過(guò)干燥鋁屑或鋁合金屑以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經(jīng)磁選除鐵后按比例投入到溫度為75(T800°C的鋁熔體中， 通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁或鋁合金切屑分散均勻，并同時(shí)施加超聲處理l(T20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3轉(zhuǎn)變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5 10分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。所述的將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通過(guò)機(jī)械粉碎方法，即常規(guī)的通過(guò)旋轉(zhuǎn)的硬質(zhì)刀具切割鋁或鋁合金切屑并將其破碎的方法。所述的通過(guò)干燥鋁或鋁合金切屑以達(dá)到脫水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以達(dá)到脫水、去油的目的。所述的比例，是指鋁或鋁合金切屑的加入量與鋁熔體的質(zhì)量的比值，其范圍是 l(T35wt%。所述的鋁熔體，是指加熱到指定溫度75(T800°C，并經(jīng)過(guò)精煉劑或氮?dú)饩珶挼匿X水。所述的超聲處理，是指在鋁熔體中引入超聲變幅桿，超聲頻率20kHz，功率密度 400 1200W/cm2。不同類型的鋁屑要注意嚴(yán)格加以區(qū)分，原則上鋁或鋁合金切屑應(yīng)該加入到同種材料的鋁熔體中，以避免對(duì)鋁熔體的污染或改變鋁熔體的成分。與現(xiàn)有鋁屑處理工藝相比，本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于
1)鋁屑利用率高充分利用鋁屑中的有效成分，把原來(lái)需要通過(guò)熔體凈化方法去除的氧化膜變成了改善材料性能的α-Al2O3增強(qiáng)顆粒；
2)反應(yīng)溫度較低由于超聲處理產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫、高壓作用，反應(yīng)時(shí)熔體溫度較低，可以有效減輕鋁的燒損；
3)操作簡(jiǎn)單由于超聲處理，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)熔體的凈化，與現(xiàn)有的工藝比，減少了“熔劑精煉——扒渣——放合金液——鋁液轉(zhuǎn)運(yùn)包內(nèi)氮?dú)饩珶挕X液密度檢測(cè)”等環(huán)節(jié)；
4)適應(yīng)性強(qiáng)對(duì)于鋁及鋁合金或者鋁基復(fù)合材料，均可以采用本發(fā)明的方法進(jìn)行處理， 大大提高鋁屑的利用率。


圖1 α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果；圖2 α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明可以根據(jù)以下實(shí)施例實(shí)施，但不限于以下實(shí)施例，在本發(fā)明中所使用的術(shù)語(yǔ)，除非有另外說(shuō)明，一般具有本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義；應(yīng)理解，這些實(shí)施例只是為了舉例說(shuō)明本發(fā)明，而非以任何方式限制本發(fā)明的范圍，在以下的實(shí)施例中，未詳細(xì)描述的各種過(guò)程和方法是本領(lǐng)域中公知的常規(guī)方法。實(shí)施例1
通過(guò)機(jī)械粉碎方法將Α356鋁合金屑破碎至0. 5 μ m，然后在250°C干燥30min，以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經(jīng)磁選后按鋁液質(zhì)量10wt%的設(shè)定比例投入到溫度為 750°C的鋁熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時(shí)在鋁水中引入超聲變幅桿， 采用頻率20kHz、功率密度1200W/cm2的超聲處理lOmin，使鋁屑表面的氧化膜由Y-Al2O3 轉(zhuǎn)變成α -Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置10分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得 α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。圖1為α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的XRD分析結(jié)果，從圖中可以看出，超聲作用制備出的復(fù)合材料的主要增強(qiáng)相為α -Al2O3，Si則是Α356合金中常見(jiàn)的共晶相，圖2為 α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的掃描電鏡照片，其中白色顆粒為α -Al2O3顆粒，其體積分?jǐn)?shù)約為3. 5%。實(shí)施例2
通過(guò)機(jī)械粉碎方法將鋁屑破碎至5 μ m，然后在300°C干燥25min，以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經(jīng)磁選后按鋁液質(zhì)量25wt%的設(shè)定比例投入到溫度為780°C的鋁熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時(shí)在鋁水中弓I入超聲變幅桿，采用頻率20kHz、 功率密度700W/cm2的超聲處理15min，使鋁屑表面的氧化膜由Y -Al2O3轉(zhuǎn)變成α -Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置8分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料中α -Al2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)為4. 1%。實(shí)施例3
通過(guò)機(jī)械粉碎方法將鋁屑破碎至10 μ m,然后在350°C干燥20min，以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經(jīng)磁選后按鋁液質(zhì)量35wt%的設(shè)定比例投入到溫度為800°C的鋁熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時(shí)在鋁水中弓I入超聲變幅桿，采用頻率20kHz、 功率密度400KW/cm2的超聲處理20min，使鋁屑表面的氧化膜由Y-Al2O3轉(zhuǎn)變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料，復(fù)合材料中α -Al2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)5. 4%。
權(quán)利要求
1.利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通過(guò)干燥鋁或鋁合金切屑以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經(jīng)磁選除鐵后按比例投入到溫度為75(T800°C的鋁熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁或鋁合金切屑分散均勻，并同時(shí)施加超聲處理l(T20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3轉(zhuǎn)變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5 10分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是所述的將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通過(guò)機(jī)械粉碎方法，即常規(guī)的通過(guò)旋轉(zhuǎn)的硬質(zhì)刀具切割鋁或鋁合金切屑并將其破碎的方法。
3.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是所述的通過(guò)干燥鋁或鋁合金切屑以達(dá)到脫水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以達(dá)到脫水、去油的目的。
4.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法， 其特征是所述的比例，是指鋁或鋁合金切屑的加入量與鋁熔體的質(zhì)量的比值，其范圍是 l(T35wt%。
5.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是所述的鋁熔體，是指加熱到指定溫度75(T800°C，并經(jīng)過(guò)精煉劑或氮?dú)饩珶挼匿X水。
6.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是所述的超聲處理，是指在鋁熔體中引入超聲變幅桿，超聲頻率20kHz，功率密度 400 1200W/cm2。
7.如權(quán)利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是鋁或鋁合金切屑應(yīng)該加入到同種材料的鋁熔體中，以避免對(duì)鋁熔體的污染或改變鋁熔體的成分。
全文摘要
利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的方法，其特征是通過(guò)機(jī)械粉碎方法將鋁或鋁合金切屑破碎至0.5~10.0μm，然后在250~350℃干燥20~30min，以達(dá)到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經(jīng)磁選除鐵后按設(shè)定比例投入到溫度為750~800℃的鋁熔體中，通過(guò)機(jī)械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時(shí)超聲處理10~20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由γ-Al2O3轉(zhuǎn)變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5~10分鐘，扒渣并調(diào)整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α-Al2O3顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。該發(fā)明能充分利用鋁屑中的有效成分，大大提高鋁屑的利用率，操作簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。
文檔編號(hào)C22B7/00GK102304647SQ20111024255
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月23日
發(fā)明者張勇, 張振亞, 趙玉濤, 陳剛 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)