专利名称：利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法
技术领域：
本发明涉及铝或铝合金的回收利用方法，具体而言为涉及一种利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法。
背景技术：
铝合金零件切削加工时产生大量的铝屑，通常切削加工铝屑占零件总质量的20%， 最高达30%左右，因此，有效地回收铝合金零件机加工过程中的铝屑可降低生产成本，具有显著的经济和社会效益；目前，铝屑回收利用的主要途径是重熔利用一般是将铝屑经简单处理后直接加入铝或铝合金熔体中，铝烧损大，铝合金品质明显降低；先进的铝屑重熔处理生产线则相对比较复杂，主要由铝屑粉碎机、刮板输送机、铝屑烘干回转窑、磁选机、储料斗与螺旋输送机、侧井式铝屑熔化炉等设备组成，铝屑处理生产线的工艺流程为生产前准备工作——保温室内加底液——招屑前处理(包括粉碎、回转窑内烘干、磁选等)——招屑熔化与保温——取样分析——化学成分调整——搅拌——取样分析——熔剂精炼——扒渣——放合金液——铝液转运包内氮气精炼——铝液密度检测——铸造，生产过程中，回转窑内温度350°C，铝屑得到烘干处理，烘干的回转窑内的废烟气经过除尘后排出；铁类杂质对于铝屑的熔炼是十分有害的，铁质过多时会在铝中形成脆性的金属结晶体，从而降低铝的力学性能，并减弱其抗蚀能力，因此通常通过磁选清除混入铝屑的钢铁杂质；统计表明，铝屑与火焰直接接触进行铝屑回收的烧损率高达10%，而采用上述先进的生产线铝屑烧损率可降低到5%以下，总之，目前的主要铝屑回收利用方法存在铝屑烧损严重、容易对铝水产生污染、工艺处理难度增大等问题，而且工艺复杂，降低了回收产品的品质，今后发展的趋势为工艺简单、成本低、利用率高。特别需要注意的是，在铝液熔炼过程中，要尽量缩短铝液的过热时间和升温时间，以免合金的吸气和氧化。铝屑由于尺寸细小，其比表面积大，所以氧化严重，也给回收利用造成了一定的困难，铝是比较活泼的金属，标准电位-1.66V，在空气中能自然形成一层厚度约为0.01 0. 1 微米的氧化膜，这层氧化膜是非晶态的，薄而多孔，耐蚀性差，但是，研究表明，铝140°C开始氧化，300°C以上开始生成Y-Al2O3，一直持续至515°C左右，从773°C开始，Y-Al2O3转变成 α-Al2O3'8000C W α-Al2O3开始生长，一直持续至1097°C，表面生成的α-Al2O3为纳米级， 整个升温过程中，铝的氧化占主要地位，完全转变为0^1203则需要到1100 12001以上。利用α -Al2O3颗粒可以与铝形成α -Al2O3Al复合材料，可以显著提高铝及其合金的力学性能，如采用Al2 (SO4) 3反应制备的Al2O3强化铝基复合材料中，Al2O3强化相与铝合金基体界面结合良好，没有发现气孔团聚、强化相集聚或偏析，克服了传统搅拌铸造中的常见缺陷，但是，从上面的分析可以看到，铝的氧化物完全转变为α-Al2O3需要到110(Tl20(rC 以上，这对于铝的熔炼提出了非常苛刻的要求，而且这样高的温度下铝的氧化也非常严重； 研究表明，超声场在液体介质中传播时，在交变声场作用下形成空化泡，在声场的振动作用下，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，在随后来临的声波正压相内，这些空化泡将以极高的速度闭合或者崩溃，空化泡崩溃的瞬间，泡内聚集的能量迅速释放出来，致使在空化发生的微小空间内产生瞬时高温、高压，即超声空化，理论计算和实测结果均表明，保温和高压分别达到10 和IO9Pa,同时，超声还将产生声流效应，超声在液体中引起的声流的加速度较大，可使声流以较大的速度运动，可达流体热对流速度的1(Γ103倍，高能超声在液体介质中能够产生空化作用，产生局部高温、高压，可望在铝合金熔体中形成局部高温，并推动 Y-Al2O3 转变成 α -Al2O3。
发明内容
本发明的目的就是利用高能超声作用，在接近铝合金通常熔炼温度的条件下，将铝或铝合金切屑表面的Al2O3转变成α -Al2O3，并使其均勻分布在铝合金中，形成颗粒增强铝基复合材料，在提高材料性能的同时提高铝屑的回收率。本发明提出利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是 将铝或铝合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通过干燥铝屑或铝合金屑以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝或铝合金切屑经磁选除铁后按比例投入到温度为75(T800°C的铝熔体中， 通过机械搅拌使铝或铝合金切屑分散均勻，并同时施加超声处理l(T20min，使铝或铝合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3转变成α-Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置5 10分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料。所述的将铝或铝合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通过机械粉碎方法，即常规的通过旋转的硬质刀具切割铝或铝合金切屑并将其破碎的方法。所述的通过干燥铝或铝合金切屑以达到脱水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以达到脱水、去油的目的。所述的比例，是指铝或铝合金切屑的加入量与铝熔体的质量的比值，其范围是 l(T35wt%。所述的铝熔体，是指加热到指定温度75(T800°C，并经过精炼剂或氮气精炼的铝水。所述的超声处理，是指在铝熔体中引入超声变幅杆，超声频率20kHz，功率密度 400 1200W/cm2。不同类型的铝屑要注意严格加以区分，原则上铝或铝合金切屑应该加入到同种材料的铝熔体中，以避免对铝熔体的污染或改变铝熔体的成分。与现有铝屑处理工艺相比，本发明的主要优点在于
1)铝屑利用率高充分利用铝屑中的有效成分，把原来需要通过熔体净化方法去除的氧化膜变成了改善材料性能的α-Al2O3增强颗粒；
2)反应温度较低由于超声处理产生的瞬时高温、高压作用，反应时熔体温度较低，可以有效减轻铝的烧损；
3)操作简单由于超声处理，有效实现了对熔体的净化，与现有的工艺比，减少了“熔剂精炼——扒渣——放合金液——铝液转运包内氮气精炼——铝液密度检测”等环节；
4)适应性强对于铝及铝合金或者铝基复合材料，均可以采用本发明的方法进行处理， 大大提高铝屑的利用率。
图1 α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料的XRD分析结果；图2 α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片。
具体实施例方式
本发明可以根据以下实施例实施，但不限于以下实施例，在本发明中所使用的术语，除非有另外说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围，在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。实施例1
通过机械粉碎方法将Α356铝合金屑破碎至0. 5 μ m，然后在250°C干燥30min，以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝屑经磁选后按铝液质量10wt%的设定比例投入到温度为 750°C的铝熔体中，通过机械搅拌使铝屑分散均勻均勻，并同时在铝水中引入超声变幅杆， 采用频率20kHz、功率密度1200W/cm2的超声处理lOmin，使铝屑表面的氧化膜由Y-Al2O3 转变成α -Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置10分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得 α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料。图1为α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料的XRD分析结果，从图中可以看出，超声作用制备出的复合材料的主要增强相为α -Al2O3，Si则是Α356合金中常见的共晶相，图2为 α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中白色颗粒为α -Al2O3颗粒，其体积分数约为3. 5%。实施例2
通过机械粉碎方法将铝屑破碎至5 μ m，然后在300°C干燥25min，以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝屑经磁选后按铝液质量25wt%的设定比例投入到温度为780°C的铝熔体中，通过机械搅拌使铝屑分散均勻均勻，并同时在铝水中弓I入超声变幅杆，采用频率20kHz、 功率密度700W/cm2的超声处理15min，使铝屑表面的氧化膜由Y -Al2O3转变成α -Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置8分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料，复合材料中α -Al2O3颗粒的体积分数为4. 1%。实施例3
通过机械粉碎方法将铝屑破碎至10 μ m,然后在350°C干燥20min，以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝屑经磁选后按铝液质量35wt%的设定比例投入到温度为800°C的铝熔体中，通过机械搅拌使铝屑分散均勻均勻，并同时在铝水中弓I入超声变幅杆，采用频率20kHz、 功率密度400KW/cm2的超声处理20min，使铝屑表面的氧化膜由Y-Al2O3转变成α-Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置5分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料，复合材料中α -Al2O3颗粒的体积分数5. 4%。
权利要求
1.利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是将铝或铝合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m,然后通过干燥铝或铝合金切屑以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝或铝合金切屑经磁选除铁后按比例投入到温度为75(T800°C的铝熔体中，通过机械搅拌使铝或铝合金切屑分散均勻，并同时施加超声处理l(T20min，使铝或铝合金切屑表面的氧化膜由Y-Al2O3转变成α-Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置5 10分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得α -Al2O3颗粒增强铝基复合材料。
2.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是所述的将铝或铝合金切屑破碎至0. 5^10. 0 μ m是通过机械粉碎方法，即常规的通过旋转的硬质刀具切割铝或铝合金切屑并将其破碎的方法。
3.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是所述的通过干燥铝或铝合金切屑以达到脱水、去油的目的指在25(T350°C干燥 2(T30min，以达到脱水、去油的目的。
4.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法， 其特征是所述的比例，是指铝或铝合金切屑的加入量与铝熔体的质量的比值，其范围是 l(T35wt%。
5.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是所述的铝熔体，是指加热到指定温度75(T800°C，并经过精炼剂或氮气精炼的铝水。
6.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是所述的超声处理，是指在铝熔体中引入超声变幅杆，超声频率20kHz，功率密度 400 1200W/cm2。
7.如权利要求1所述的利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是铝或铝合金切屑应该加入到同种材料的铝熔体中，以避免对铝熔体的污染或改变铝熔体的成分。
全文摘要
利用铝或铝合金切屑制备颗粒增强铝基复合材料的方法，其特征是通过机械粉碎方法将铝或铝合金切屑破碎至0.5~10.0μm，然后在250~350℃干燥20~30min，以达到脱水、去油的目的，干燥后的铝或铝合金切屑经磁选除铁后按设定比例投入到温度为750~800℃的铝熔体中，通过机械搅拌使铝屑分散均匀均匀，并同时超声处理10~20min，使铝或铝合金切屑表面的氧化膜由γ-Al2O3转变成α-Al2O3颗粒，熔体超声处理后静置5~10分钟，扒渣并调整熔体温度，浇注冷却即获得α-Al2O3颗粒增强铝基复合材料。该发明能充分利用铝屑中的有效成分，大大提高铝屑的利用率，操作简单，适应性强。
文档编号C22B7/00GK102304647SQ20111024255
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月23日 优先权日2011年8月23日
发明者张勇, 张振亚, 赵玉涛, 陈刚 申请人:江苏大学