專利名稱：利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法
技術領域：
本發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鋁基復合材料的方法。
背景技術：
鋁合金零件切削加工時產生大量的鋁屑，通常切削加工鋁屑占零件總質量的20%， 最高達30%左右，因此，有效地回收鋁合金零件機加工過程中的鋁屑可降低生產成本，具有顯著的經濟和社會效益；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簡單處理后直接加入鋁或鋁合金熔體中，鋁燒損大，鋁合金品質明顯降低；先進的鋁屑重熔處理生產線則相對比較復雜，主要由鋁屑粉碎機、刮板輸送機、鋁屑烘干回轉窯、磁選機、儲料斗與螺旋輸送機、側井式鋁屑熔化爐等設備組成，鋁屑處理生產線的工藝流程為生產前準備工作——保溫室內加底液——招屑前處理(包括粉碎、回轉窯內烘干、磁選等)——招屑熔化與保溫——取樣分析——化學成分調整——攪拌——取樣分析——熔劑精煉——扒渣——放合金液——鋁液轉運包內氮氣精煉——鋁液密度檢測——鑄造，生產過程中，回轉窯內溫度350°C，鋁屑得到烘干處理，烘干的回轉窯內的廢煙氣經過除塵后排出；鐵類雜質對于鋁屑的熔煉是十分有害的，鐵質過多時會在鋁中形成脆性的金屬結晶體，從而降低鋁的力學性能，并減弱其抗蝕能力，因此通常通過磁選清除混入鋁屑的鋼鐵雜質；統計表明，鋁屑與火焰直接接觸進行鋁屑回收的燒損率高達10%，而采用上述先進的生產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重、容易對鋁水產生污染、工藝處理難度增大等問題，而且工藝復雜，降低了回收產品的品質，今后發展的趨勢為工藝簡單、成本低、利用率高。特別需要注意的是，在鋁液熔煉過程中，要盡量縮短鋁液的過熱時間和升溫時間，以免合金的吸氣和氧化。鋁屑由于尺寸細小，其比表面積大，所以氧化嚴重，也給回收利用造成了一定的困難，鋁是比較活潑的金屬，標準電位-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的，薄而多孔，耐蝕性差，但是，研究表明，鋁140°C開始氧化，300°C以上開始生成Y-Al2O3，一直持續至515°C左右，從773°C開始，Y-Al2O3轉變成 α-Al2O3'8000C W α-Al2O3開始生長，一直持續至1097°C，表面生成的α-Al2O3為納米級， 整個升溫過程中，鋁的氧化占主要地位，完全轉變為0^1203則需要到1100 12001以上。利用α -Al2O3顆粒可以與鋁形成α -Al2O3Al復合材料，可以顯著提高鋁及其合金的力學性能，如采用Al2 (SO4) 3反應制備的Al2O3強化鋁基復合材料中，Al2O3強化相與鋁合金基體界面結合良好，沒有發現氣孔團聚、強化相集聚或偏析，克服了傳統攪拌鑄造中的常見缺陷，但是，從上面的分析可以看到，鋁的氧化物完全轉變為α-Al2O3需要到110(Tl20(rC 以上，這對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重； 研究表明，超聲場在液體介質中傳播時，在交變聲場作用下形成空化泡，在聲場的振動作用下，當聲壓達到一定值時，氣泡將迅速膨脹，在隨后來臨的聲波正壓相內，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，泡內聚集的能量迅速釋放出來，致使在空化發生的微小空間內產生瞬時高溫、高壓，即超聲空化，理論計算和實測結果均表明，保溫和高壓分別達到10 和IO9Pa,同時，超聲還將產生聲流效應，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動，可達流體熱對流速度的1(Γ103倍，高能超聲在液體介質中能夠產生空化作用，產生局部高溫、高壓，可望在鋁合金熔體中形成局部高溫，并推動 Y-Al2O3 轉變成 α -Al2O3。

發明內容
本發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轉變成α -Al2O3，并使其均勻分布在鋁合金中，形成顆粒增強鋁基復合材料，在提高材料性能的同時提高鋁屑的回收率。本發明提出利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是 將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通過干燥鋁屑或鋁合金屑以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經磁選除鐵后按比例投入到溫度為75(T800°C的鋁熔體中， 通過機械攪拌使鋁或鋁合金切屑分散均勻，并同時施加超聲處理l(T20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3轉變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5 10分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料。所述的將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通過機械粉碎方法，即常規的通過旋轉的硬質刀具切割鋁或鋁合金切屑并將其破碎的方法。所述的通過干燥鋁或鋁合金切屑以達到脫水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以達到脫水、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，并經過精煉劑或氮氣精煉的鋁水。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格加以區分，原則上鋁或鋁合金切屑應該加入到同種材料的鋁熔體中，以避免對鋁熔體的污染或改變鋁熔體的成分。與現有鋁屑處理工藝相比，本發明的主要優點在于
1)鋁屑利用率高充分利用鋁屑中的有效成分，把原來需要通過熔體凈化方法去除的氧化膜變成了改善材料性能的α-Al2O3增強顆粒；
2)反應溫度較低由于超聲處理產生的瞬時高溫、高壓作用，反應時熔體溫度較低，可以有效減輕鋁的燒損；
3)操作簡單由于超聲處理，有效實現了對熔體的凈化，與現有的工藝比，減少了“熔劑精煉——扒渣——放合金液——鋁液轉運包內氮氣精煉——鋁液密度檢測”等環節；
4)適應性強對于鋁及鋁合金或者鋁基復合材料，均可以采用本發明的方法進行處理， 大大提高鋁屑的利用率。


圖1 α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的XRD分析結果；圖2 α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的掃描電鏡照片。
具體實施例方式
本發明可以根據以下實施例實施，但不限于以下實施例，在本發明中所使用的術語，除非有另外說明，一般具有本領域普通技術人員通常理解的含義；應理解，這些實施例只是為了舉例說明本發明，而非以任何方式限制本發明的范圍，在以下的實施例中，未詳細描述的各種過程和方法是本領域中公知的常規方法。實施例1
通過機械粉碎方法將Α356鋁合金屑破碎至0. 5 μ m，然后在250°C干燥30min，以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經磁選后按鋁液質量10wt%的設定比例投入到溫度為 750°C的鋁熔體中，通過機械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時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 轉變成α -Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置10分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得 α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料。圖1為α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的XRD分析結果，從圖中可以看出，超聲作用制備出的復合材料的主要增強相為α -Al2O3，Si則是Α356合金中常見的共晶相，圖2為 α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料的掃描電鏡照片，其中白色顆粒為α -Al2O3顆粒，其體積分數約為3. 5%。實施例2
通過機械粉碎方法將鋁屑破碎至5 μ m，然后在300°C干燥25min，以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經磁選后按鋁液質量25wt%的設定比例投入到溫度為780°C的鋁熔體中，通過機械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時在鋁水中弓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轉變成α -Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置8分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料，復合材料中α -Al2O3顆粒的體積分數為4. 1%。實施例3
通過機械粉碎方法將鋁屑破碎至10 μ m,然后在350°C干燥20min，以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁屑經磁選后按鋁液質量35wt%的設定比例投入到溫度為800°C的鋁熔體中，通過機械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時在鋁水中弓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轉變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料，復合材料中α -Al2O3顆粒的體積分數5. 4%。
權利要求
1.利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通過干燥鋁或鋁合金切屑以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經磁選除鐵后按比例投入到溫度為75(T800°C的鋁熔體中，通過機械攪拌使鋁或鋁合金切屑分散均勻，并同時施加超聲處理l(T20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3轉變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5 10分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α -Al2O3顆粒增強鋁基復合材料。
2.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是所述的將鋁或鋁合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通過機械粉碎方法，即常規的通過旋轉的硬質刀具切割鋁或鋁合金切屑并將其破碎的方法。
3.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是所述的通過干燥鋁或鋁合金切屑以達到脫水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以達到脫水、去油的目的。
4.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法， 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量的比值，其范圍是 l(T35wt%。
5.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是所述的鋁熔體，是指加熱到指定溫度75(T800°C，并經過精煉劑或氮氣精煉的鋁水。
6.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，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.如權利要求1所述的利用鋁或鋁合金切屑制備顆粒增強鋁基復合材料的方法，其特征是鋁或鋁合金切屑應該加入到同種材料的鋁熔體中，以避免對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鋁基復合材料的方法，其特征是通過機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，以達到脫水、去油的目的，干燥后的鋁或鋁合金切屑經磁選除鐵后按設定比例投入到溫度為750~800℃的鋁熔體中，通過機械攪拌使鋁屑分散均勻均勻，并同時超聲處理10~20min，使鋁或鋁合金切屑表面的氧化膜由γ-Al2O3轉變成α-Al2O3顆粒，熔體超聲處理后靜置5~10分鐘，扒渣并調整熔體溫度，澆注冷卻即獲得α-Al2O3顆粒增強鋁基復合材料。該發明能充分利用鋁屑中的有效成分，大大提高鋁屑的利用率，操作簡單，適應性強。
文檔編號C22B7/00GK102304647SQ20111024255
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月23日 優先權日2011年8月23日
發明者張勇, 張振亞, 趙玉濤, 陳剛 申請人:江蘇大學